半导体的历史

2.1 The life before semiconductor

在没有半导体的存在之前,我们的生活会是如何的呢? 这些非常微小的集成电路芯片虽然在我们日常生活中不易被我们发现,不过他们很明确的隐藏在我们的生活周遭: 几乎所有我们使用的电子相关产品,计算机相关组件里都有这些半导体的存在。所以如果我们生活中缺少了这些小东西，可以说是非常的不方便，经济发展也一定受到影响。 在1950年代贝尔实验室研究发展出最原始的半导体之前当时的电子设备如同：收音机或是一些影像相关的电子仪器都是使用一种叫做真空管的零件在控制系统中的电子.这些使用真空管的电子仪器成为了日后在地二次世界大战中扮演了极重要的角色的雷达、微波以及导航系统的基石，也完全改变了历史的发展。.真空管也被使用在早期的计算机之中，而且就算到了最近半导体高度发展的社会之中，真空管还使有备使用在电视还high power radio frequency transmitters之中。

2.2 Innovation begins

在第二次世界大战刚结束不久的1947年三位贝尔实验室的科学家的研究使得世界上第一个bipolar transistors 问世, 带领了人类迈向电子仪器还有产品的新纪元。 这三位科学家分别是: Jack S.Kilby, William Shockley and Robert Noyce.

Jack S.Kilby 生于1923年于美国Kansas洲,他的父亲是一位amateur radio operator 也因为他父亲的工作性质使得年轻的jack 对于电子相关的领域产生了浓厚的兴趣. 之后随着他的兴趣发展，他就读于University of Illinois并且在1947年毕业,之后在1958年进入了德州仪器工作。当他在德州仪器就义的期间他解决了一个叫做 “tyranny of numbers”的问题， 他利用一小块germanium 并在接上示波器, 按了一个开关,结果示波器上面显示了连续的sin的波, 这证明了他的集成电路是确实在运作的，也同时表示他解决了这个问题。 他的第一项专利是“Solid Circuit made of Germanium”。顺代一题众所皆知的可携带式的电子计算器还有thermal printer都是他60几项的专利之一。. 在1970到1980年代中叶 Jack 在Texas A&M University的电机工程系教书,。不久之后他就离开了德州仪器. 他在2000年的时候荣获了科学界最高的荣耀---诺贝尔对于他所发明的集成电路。五年之后这位伟大的科学家因为癌正而逝世于2005年。

William Shockley 生于1910年的伦敦，他虽然在英国出生可是他的父母都是美国人，之后他大部分的童年都在美国California渡过; 他在1936年在麻省理工学院获得了他的博士学位。 在他获得了博士学位之后他就近入了贝尔实验室工作，可是到了第二次世界大战期间他必续介入Radio相关的研究而离开了贝尔实验室到了 Columbia University's Anti-Submarine Warfare Operations Group, 他到了Columbia University 的主要目的是为了改进一些针对潜水挺的相关战略的技术，例如: improved convoying techniques and optimizing depth charge patterns.当第二次世界大战过后Shockley回到了贝尔实验室带领了一个新组成的团队: solid state physics group，这个团队的主要目标是要寻找可以替代易碎的真空管讯号加强器的固态替代品。经过了长久的努力与无数次的实验、尝试与失败， Shockley最后的建议是要放一小滴的 gu 在P-N junction上. 之后在1947年的十二月以之前的建议为基础创造出了同样可以和真空管一样达到讯号放大的效果的point-contact transistor。Shockley发表此一发明之后的一个月，贝尔实验室的专利组开始为这项创新的发现申请专利。

最后Shockley得到了自己经营独立的公司的机会，他说创立的公司为：Shockley Semiconductor laboratory ; 虽然最后因为他的经营管理方式不恰当而宣告失败，但是他对于半导体产业的贡献是无法忽略的。在1959年的时候Shockley与两位他之前的同事Bardeen and Brattain 共同获得了诺贝尔物理奖. Shockley的晚年只要是在Stanford university教书，之后在1989年死于prostate cancer。

Robert Noyce ---同时也被称作“the Mayor of Silicon Valley “他出生于1927年的 Burlington之后在麻省理工学院获得了物理的博士学位. 一开始他加入了Shockley的公司Shockley Semiconductor laboratory 的研究团队可是最后与称作“traitorous eight” (including: Julius Blank, Victor Grinich, Jean Hoerni, Eugene Kleiner, Jay Last, Gordon Moore, Robert Noyce, Sheldon Roberts) 的八位科学家离一起离开了Shockley Semiconductor laboratory。这八位科学家想要离开 Shockley因为他们于法认同他的经营管理模式，最主要的是无法同意他对于研究该如何发展的态度，Shockley 会单纯以他心中的期待去引导研究进行的方向而不是让客观时实验结果与实验事实来推动研究的方向。一开始这八位科学家本来想要找人来取代Shockley的位置，可是并没有如他们所期望的成功; 所以他们最后决定与Fairchild Camera and Instrument Corporation 签订研究合约也就创立了Fairchild 的子公司Fairchild Semiconductor. Fairchild semiconductor日后成为了半导体产业中最重要的公司之一，对于半导体产业也造成的极大的冲击; 另外一间影响重大的半导体公司为德州仪器. Noyce在Fairchild的期间，他们发明了集成电路IC(由许多晶体管刻蚀在同一片硅晶圆上)。在1968年Nayce 离开了Fairchild semiconductor并且和同事Gordon E. Moore 共同组成了日后对于计算机产业影响最大的Intel， 当Noyce 在Intel时，他看出了当时Ted Hoff's对于微处理器的发明与发现所具有的潜力。. Noyce亲眼看见Shockley的失败,也学到了要如何使一个企业顺利的运作与发展。他会给予他年轻的杰出职员充分的发展空间与气氛，给予他们自由发展的机会。Noyce的经营管理方式对于当时的硅谷工作方式造成很大的影响。

为了纪念Noyce对于版到体的贡献，Intel总部的大楼以他的荣耀命名：The Robert Noyce Building.。Noyce 因为他对于硅集成电路的贡献在1978年获得了“the IEEE Medal of Honor in " 之后他在1990病逝。

上的公功用。之后由他的两位同事Bardeen and Brattain改进;他们发现电子会在晶体表面形成一个障壁，这个障壁很有可能就是Shockley的模型无法运作的主要原因。

他们使用一条一条的金薄片缠在一块三角形的塑料片 再死一三角形的塑料片与germanium接触,这个实验相当成功，这也是最原始的point-contact transistor.之后Shockley利用了他们的实验结果为雏型，努力的研发了两年左右，创造出了比较实用、比较好制造的junction transistor 。虽然Shockley自行研发的举动造成了他们团队的解散，但也同时带领了半导体产业进入一个新的世代。相对于今日高度发展的半导体产业，1950年代所制造的半导体可以达到的效能相当有限。.造成这项限制的主要原因是早期的germanium transistor所能承受的电流相当低。 很讽刺的，那个时代推动半导体产业发展的却是第二次世界大战，美国政府对于半导体产业相当感兴趣， 主要是希望可以寻找到可以帮助战争的科技,之后国家政府全力支持办导体的发展; 有文献纪录的最早为了军事大量生产半导体的计划是1956年的“Polaris missile program”由美国海军赞助。这项计划的主要目的是研发可以安装在飞弹朱的自动导航系统，自动导航计算机是在MIT Instrumentation Laboratory进行研发当时用量最高的半导体是由德州仪器所提供的R212型号半导体

之后在1950年代中叶硅的单晶体被制造出来，使得Ge的使用慢慢地被硅取代。Ge的氧化物会容于水，使得要保护Ge半导体的表面更为困难，同时也有可能造成系统漏电。.另外一方面硅的氧化物 S 相对来说稳定了许多，它不溶于水而且也是绝缘体。在1959年德州仪器开始商业化的生产。硅晶体管的制造方式为：将熔融状态（含有杂质）的硅长成硅晶体再切割成为长方形的。

随着集成电路的发明, planar technology不久之后也因为瑞士的物理学家 Jean Hoerni 发展出由硅组成的n和p junction 的结构.在junction之间有一层薄薄的 S 当作绝缘体。在S 层上面有可以连接junction的洞。接下来使金属挥发覆盖到硅junction上，可以调整不同的规律并且利用S 上的洞和相连接形成复杂的电路。planer technology 是今日许多复杂电路的基础。

1960年代开始有硅芯片(wafers)的出现。1970 Intel开始将微处理器的观念慢慢的实现. Intel 发展出一种称为 “silicon gate process” 使得他们可以生产更为复杂的电路。

1980到1990年代个人计算机的观念开始风行。 主要的原因是因为Intel 所研发的 Pentium 处理器. 到了1990年代中叶发光二极管成功的研发出来。.直到最近2000年代，我们生活在以硅晶体为基础的世界，同时看着硅晶体科技持续的快速发展。