主要介紹以硅材料為主的半導(dǎo)體器件,以及由這些半導(dǎo)體器件及其他電子元器件所構(gòu)成的當(dāng)代集成電路不斷按比例縮小所面臨的挑戰(zhàn)及可能的解決方案。

   半導(dǎo)體器件與集成電路經(jīng)歷了艱難曲折的發(fā)展歷程。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后不久,美 J112RLRAG國貝爾實(shí)驗(yàn)室開始研制新一代的固體器件以取代可靠性差又非常笨重的真空電子器件,具體由肖克萊(William Shockley)負(fù)責(zé)。終于在1947年的圣誕節(jié)期間,肖克萊的兩位同事――理論物理學(xué)家巴丁(John Bardeen)和出生于中國廈門的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家布拉坦(Waltcr Brattain),在一個(gè)三角形石英晶體底座上將金箔片壓到一塊鍺半導(dǎo)體材料表面并形成兩個(gè)點(diǎn)接觸,當(dāng)一個(gè)接觸點(diǎn)為正向偏置(即本目對(duì)于第三點(diǎn)加正電壓),而另一個(gè)接觸點(diǎn)為反向偏置時(shí),可以觀察到將輸人信號(hào)放大的晶體管行為。他們把這一發(fā)明稱為“點(diǎn)接觸晶體管放大器”,它可以傳導(dǎo)、放大和開關(guān)電流。

1949年肖克萊發(fā)表了關(guān)于PN結(jié)理論及一種性能更好的雙極型晶體管(Blp°larJunction Transist°r,BJT)的經(jīng)典論文,通過控制中間一層很薄的基極上的電流,實(shí)現(xiàn)放大作用,并手次年制成具有PN結(jié)的鍺晶體管。「l]由于雙極型晶體管是通過控制固體中的電子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的放大和傳輸功能,比當(dāng)時(shí)的主流產(chǎn)品真空電子管性能可靠、耗電節(jié)省,更為突出的是體積小得多,因此在應(yīng)用上受到廣泛重視,它很快取代真空管作為電子信號(hào)放大組件,成為電子工業(yè)的強(qiáng)大引擎,由此引發(fā)了一場(chǎng)電子革命,將人類文明帶入現(xiàn)代電子時(shí)代,被媒體和科學(xué)界稱為“20世紀(jì)最重要的發(fā)明”。他們?nèi)?肖克萊、巴丁、布拉坦)囚此分享了1956年度的諾貝爾物理獎(jiǎng)。自第一個(gè)晶體管被發(fā)明以來,各式各樣的新型半導(dǎo)體器件憑借更先進(jìn)的技術(shù)、更新的材料和更深人的理論被發(fā)明。

    N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

   單晶硅具有準(zhǔn)金屬的物理性質(zhì),有較弱的導(dǎo)電性,其電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加,有顯著的半導(dǎo)電性。超純的單晶硅是本征半導(dǎo)體,基本上不導(dǎo)電。在硅晶體中摻人微量的ⅤA族雜質(zhì)原子(如磷、砷、銻等),可形成N型半導(dǎo)體,電子(帶負(fù)電)是其導(dǎo)電的主要載流子。這是囚為這些雜質(zhì)原子和硅原子形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí),其外圍五個(gè)電子中的四個(gè)會(huì)留下一個(gè)電子不受共價(jià)鍵束縛而成為自由電子,于是N型半導(dǎo)體就成為了含電子濃度較高的半導(dǎo)體,其導(dǎo)電性主要是因?yàn)樽杂呻娮訉?dǎo)電。在硅晶體中摻入微量的ⅢA族雜質(zhì)原子(如硼、銦等),將形成P型半導(dǎo)體,空穴(帶正電)是其導(dǎo)電的主要載流子。這些雜質(zhì)原子和硅原子形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí),其外圍只有三個(gè)電子,比硅原子少了一個(gè)電子而留下了一個(gè)空缺,即空穴。當(dāng)空穴被其他鄰近的電子補(bǔ)上時(shí),那補(bǔ)位的電子原先的位置便又留下了一個(gè)新的空穴,這個(gè)空穴的轉(zhuǎn)移可視為正電荷的運(yùn)動(dòng),成為能夠?qū)щ姷妮d流子。