主要介紹以硅材料為主的半導體器件,以及由這些半導體器件及其他電子元器件所構成的當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。

   半導體器件與集成電路經歷了艱難曲折的發(fā)展歷程。第二次世界大戰(zhàn)結束后不久,美 J112RLRAG國貝爾實驗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)負責。終于在1947年的圣誕節(jié)期間,肖克萊的兩位同事――理論物理學家巴丁(John Bardeen)和出生于中國廈門的實驗物理學家布拉坦(Waltcr Brattain),在一個三角形石英晶體底座上將金箔片壓到一塊鍺半導體材料表面并形成兩個點接觸,當一個接觸點為正向偏置(即本目對于第三點加正電壓),而另一個接觸點為反向偏置時,可以觀察到將輸人信號放大的晶體管行為。他們把這一發(fā)明稱為“點接觸晶體管放大器”,它可以傳導、放大和開關電流。

1949年肖克萊發(fā)表了關于PN結理論及一種性能更好的雙極型晶體管(Blp°larJunction Transist°r,BJT)的經典論文,通過控制中間一層很薄的基極上的電流,實現(xiàn)放大作用,并手次年制成具有PN結的鍺晶體管�！竘]由于雙極型晶體管是通過控制固體中的電子運動實現(xiàn)電信號的放大和傳輸功能,比當時的主流產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,因此在應用上受到廣泛重視,它很快取代真空管作為電子信號放大組件,成為電子工業(yè)的強大引擎,由此引發(fā)了一場電子革命,將人類文明帶入現(xiàn)代電子時代,被媒體和科學界稱為“20世紀最重要的發(fā)明”。他們三人(肖克萊、巴丁、布拉坦)囚此分享了1956年度的諾貝爾物理獎。自第一個晶體管被發(fā)明以來,各式各樣的新型半導體器件憑借更先進的技術、更新的材料和更深人的理論被發(fā)明。

    N型半導體和P型半導體

   單晶硅具有準金屬的物理性質,有較弱的導電性,其電導率隨溫度的升高而增加,有顯著的半導電性。超純的單晶硅是本征半導體,基本上不導電。在硅晶體中摻人微量的ⅤA族雜質原子(如磷、砷、銻等),可形成N型半導體,電子(帶負電)是其導電的主要載流子。這是囚為這些雜質原子和硅原子形成共價鍵結構時,其外圍五個電子中的四個會留下一個電子不受共價鍵束縛而成為自由電子,于是N型半導體就成為了含電子濃度較高的半導體,其導電性主要是因為自由電子導電。在硅晶體中摻入微量的ⅢA族雜質原子(如硼、銦等),將形成P型半導體,空穴(帶正電)是其導電的主要載流子。這些雜質原子和硅原子形成共價鍵結構時,其外圍只有三個電子,比硅原子少了一個電子而留下了一個空缺,即空穴。當空穴被其他鄰近的電子補上時,那補位的電子原先的位置便又留下了一個新的空穴,這個空穴的轉移可視為正電荷的運動,成為能夠導電的載流子。