一文读懂：世界半导体极简编年史

由 cathy 提交于周二, 4 二月 2020 - 09:47

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89256-1.jp…; alt="回顾曾经那些推动全球半导体发展的技术和事件。" width="600"></center><center>回顾曾经那些推动全球半导体发展的技术和事件。</center>

1833年：第一次有记录的半导体效应

迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发现了硫化银晶体中电导率随温度升高而增加的＂特殊情况＂。这与在铜和其他金属中观察到的情况相反。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89257-2.jp…; alt="图1：Michael Faraday" ></center><center>图1：Michael Faraday</center>

1874年：发现半导体点接触式整流器效应

第一个半导体二极管书面说明，费迪南德‧布劳恩（Ferdinand Braun）指出，在金属点与方铅矿晶体接触处，电流只朝一个方向自由流动。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89258-3.jp…; alt="图2：Ferdinand Braun" ></center><center>图2：Ferdinand Braun</center>

1901年：半导体整流器获得探测器专利

无线电先驱、印度加尔各答总统学院物理学教授Jagadis Chandra Bose申请了检测无线电波的半导体晶体整流器的专利。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89259-4.jp…; alt="图3：Jagadis Chandra Bose""></center><center>图3：Jagadis Chandra Bose</center>

1926年：场效应半导体器件申请专利

Julius Lilienfeld申请了一项专利，描述了一种基于硫化铜半导体特性的三电极放大装置。直到1930年代，人们一直在尝试制造这种设备。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89260-5.jp…; alt="图4：Julius E. Lilienfeld"></center><center>图4：Julius E. Lilienfeld</center>

1931年：《电子半导体理论》出版

艾伦·威尔逊（Alan Wilson）用量子力学来解释半导体的基本特性。七年后，鲍里斯•达维多夫（苏联）、内维尔•莫特（英国）和沃尔特•肖特基（德国）都对半导体进行了理论解释。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89261-6.jp…; alt="图5：在剑桥的Alan Wilson"></center><center>图5：在剑桥的Alan Wilson</center>

1940年：发现P-N结

Russell Ohl发现了硅中的P-N结和光伏效应，从而促进了结晶体管和太阳能电池的发展。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89262-7.jp…; alt="图6：在贝尔实验室的Russell Ohl" width="600"></center><center>图6：在贝尔实验室的Russell Ohl</center>

1941年：半导体二极管整流器用于二战

开发出用于战时雷达微波探测器的高纯度锗和硅晶体的生产技术。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89263-8.jp…; alt="图7：卡尔·拉克·霍洛维兹（Karl Lark-Horowitz）（右）和西摩·本泽（Seymour Benzer），约1942年在普渡大学" width="600"></center><center>图7：卡尔·拉克·霍洛维兹（Karl Lark-Horowitz）（右）和西摩·本泽（Seymour Benzer），约1942年在普渡大学</center>

1947年：接触晶体管的发明

1947年12月，约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）在锗点接触器件中实现了晶体管作用。

1948年：欧洲晶体管的发明

Herbert Mataré和Heinrich Welker在法国发明了锗点接触晶体管。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89266-10.j…; alt="图9：Herbert Mataré"></center><center>图9：Herbert Mataré</center>

1948年：结型晶体管的构想

威廉·肖克利（William Shockley）基于对P-N结效应的理论理解，构想了一种改进的晶体管结构。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89267-11.p…; alt="图10：William Shockley描述结晶体管理论" width="600"></center><center>图10：William Shockley描述结晶体管理论</center>

1951年：发明区域熔炼结

William Pfann和Henry Theurer开发了用于生产超纯半导体材料的区域熔炼技术。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89268-12.j…; alt="图11：William Pfann和Jack Scaff使用早期区熔精炼设备" width="600"></center><center>图11：William Pfann和Jack Scaff使用早期区熔精炼设备</center>

1951年：第一个制造的生长结晶体管

戈登·蒂尔（Gordon Teal）生长出了大型锗单晶，并与摩根·斯帕克斯（Morgan Sparks）合作制造了一个N-P-N结晶体管。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89269-13.j…; alt="图12：Gordon K. Teal（左）和贝尔实验室的Morgan Sparks" width="600"></center><center>图12：Gordon K. Teal（左）和贝尔实验室的Morgan Sparks</center>

1952年：晶体管消费品出现

半导体开始出现在电池供电的助听器和袖珍收音机中，消费者愿意为便携性和低功耗支付高价。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89270-14.j…; alt="图13：Sonotone 1010助听器使用了一个晶体管和两个电子管" width="300"></center><center>图13：Sonotone 1010助听器使用了一个晶体管和两个电子管</center>

1952年：贝尔实验室授权晶体管技术

贝尔实验室的技术研讨会和晶体管专利授权大大鼓励了半导体的发展。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89271-15.j…; alt="图14：杰克·A·莫顿（Jack A.Morton）（左）和贝尔实验室的JR·威尔逊，约1948年" width="600"></center><center>图14：杰克·A·莫顿（Jack A.Morton）（左）和贝尔实验室的JR·威尔逊，约1948年</center>

1953年：晶体管计算机问世

晶体管计算机样机证明了半导体与真空管相比，具有体积小、功耗低的优点。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89273-16.j…; alt="图15：SEAC计算机操作员站" width="600"></center><center>图15：SEAC计算机操作员站</center>

1954年：为晶体管开发扩散过程

在使用高温扩散法生产太阳能电池之后，Charles Lee和Morris Tanenbaum将该技术应用于制造高速晶体管。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89275-17.j…; alt="图16：贝尔实验室的首批扩散基极硅晶体管之一" width="600"></center><center>图16：贝尔实验室的首批扩散基极硅晶体管之一</center>

1954年：硅晶体管展现优越的工作特性

莫里斯·塔南鲍姆（Morris Tanenbaum）在贝尔实验室制造了第一个硅晶体管，但德州仪器公司的工程师制造并销售了第一个商业设备。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89276-18.j…; alt="图17：贝尔实验室的Morris Tanenbaum（左）和Charles Lee（右）" width="600"></center><center>图17：贝尔实验室的Morris Tanenbaum（左）和Charles Lee（右）</center>

1955年：光刻技术被用于制造硅器件

朱尔斯·安德鲁斯（Jules Andrus）和沃尔特·邦德（Walter Bond）采用印刷技术中的光刻技术，使硅晶圆上的扩散“窗口”得以精确蚀刻。

1955年：氧化物掩蔽的发展

卡尔·弗罗施（Carl Frosch）和林肯·德里克（Lincoln Derick）在晶片上生长了一层二氧化硅薄膜，以保护其表面，并允许受控扩散到底部的硅层。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89279-20.j…; alt="图19：Calvin Fuller，Carl Frosch和Lincoln Derick的早期扩散炉" width="600"></center><center>图19：Calvin Fuller，Carl Frosch和Lincoln Derick的早期扩散炉</center>

1956年：硅谷诞生

肖克利半导体实验室培育了年轻的工程师和科学家——未来硅谷的中流砥柱，与此同时开发了北加利福尼亚州的第一批原型硅器件。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89280-21.j…; alt="图20：在加利福尼亚帕洛阿尔托的Rickey's酒店敬酒肖克利的诺贝尔奖。" width="600"></center><center>图20：在加利福尼亚帕洛阿尔托的Rickey's酒店敬酒肖克利的诺贝尔奖。</center>

1958年：演示半导体集成电路

杰克·基尔比（Jack Kilby）用半导体材料制作了一个有源和无源元件的集成电路。

1958年：硅台面型晶体管进入商业生产

仙童（Fairchild）半导体生产双扩散硅台面晶体管，以满足苛刻的航空航天应用。

1958年：隧道二极管有望实现高速半导体开关

隧道二极管是江崎玲于奈1958年8月时发明的，当时他在东京通讯工业株式会社（现在的索尼）。1973年时江崎玲于奈和布赖恩·约瑟夫森因为发现上述半导体中的量子穿隧效应而获得诺贝尔物理奖。罗伯特·诺伊斯在为威廉·肖克利工作时也有有关隧道二极管的想法，但没有继续进行研究。

1959年：实用单片集成电路概念专利

罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）在约翰·拉尔斯（Jean Hoerni）的平面工艺的基础上，申请了一种可以大批量生产的单片集成电路结构专利。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89287-25.j…; alt="图24：Robert Noyce于1962年担任飞兆半导体总经理" width="600"></center><center>图24：Robert Noyce于1962年担任飞兆半导体总经理</center>

1959年：“平面”制造工艺的发明

Jean Hoerni开发了平面工艺来解决台面晶体管的可靠性问题，从而革新了半导体制造业。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89289-26.j…; alt="图25：Jean Hoerni" width="600"></center><center>图25：Jean Hoerni</center>

1960年：外延沉积工艺提高晶体管性能

薄膜晶体生长工艺的发展使晶体管具有高的开关速度。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89290-27.j…; alt="图26：伊恩·罗斯（Ian Ross）担任贝尔实验室总裁的铅笔素描"></center><center>图26：伊恩·罗斯（Ian Ross）担任贝尔实验室总裁的铅笔素描</center>

1960年：演示金属氧化物半导体（MOS）晶体管

John Atalla和Dawon Kahng制作了可工作的晶体管并演示了第一个成功的MOS场效应放大器。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89291-28.p…; alt="图27：Dawon Kahang的MOS专利图" width="600"></center><center>图27：Dawon Kahang的MOS专利图</center>

1960年：制造了第一个平面集成电路

Jay Last设计并证明了基于Hoerni的平面工艺生产集成电路的可行性。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89292-29.j…; alt="图28：杰伊·拉斯特（Jay Last）和戈登·摩尔（Gordon Moore）" width="600"></center><center>图28：杰伊·拉斯特（Jay Last）和戈登·摩尔（Gordon Moore）</center>

1961年：专用半导体测试设备进入商业市场

半导体以及一些专门的供应商为高通量制造建立专用的测试设备。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89293-30.j…; alt="图29：联合创始人Vic Grinich在Fairchild领导了IC测试仪开发" width="600"></center><center>图29：联合创始人Vic Grinich在Fairchild领导了IC测试仪开发</center>

1961年：硅晶体管速度超过锗

计算机架构师Seymour Cray资助了首款硅器件的开发，以满足世界上最快的机器的性能需求。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89295-31.j…; alt="图30：Jean Hoerni在实验室工作" width="600"></center><center>图30：Jean Hoerni在实验室工作</center>

1962年：航天系统计算机首次使用集成电路

与分立晶体管设计相比，集成电路的尺寸、重量和功耗更小，尽管成本很高，但军事和航空航天系统中刚好适合。

1963年：推出标准逻辑IC系列

二极管-晶体管逻辑（DTL）系统为数字集成电路创造了一个大批量的市场，但是速度、成本和密度优势使晶体管-晶体管逻辑（TTL）成为20世纪60年代后期最流行的标准逻辑配置。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89297-33.p…; alt="图32：在推出Signetics SE124 DTL触发器2年后，Fairchild的930系列DTL（右）更小、更便宜、更快" width="600"></center><center>图32：在推出Signetics SE124 DTL触发器2年后，Fairchild的930系列DTL（右）更小、更便宜、更快</center>

1963年：互补MOS结构被发明

弗兰克·万拉斯（Frank Wanlass）发明了最低功率逻辑器件，但是性能限制阻碍其成为当时的流行技术。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89298-34.p…; alt="图33：Frank Wanlass专利图纸中的CMOS器件结构" width="600"></center><center>图33：Frank Wanlass专利图纸中的CMOS器件结构</center>

1964年：首个商用MOS集成电路问世

通用微电子公司使用金属氧化物半导体（MOS）工艺在一个芯片上封装比双极集成电路更多的晶体管，并建立了第一个使用该技术的计算机芯片组。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89299-35.j…; alt="图34：1966年Andy Grove，Bruce Deal和Ed Snow在Fairchild Palo Alto研发实验室讨论MOS技术" width="600"></center><center>图34：1966年Andy Grove，Bruce Deal和Ed Snow在Fairchild Palo Alto研发实验室讨论MOS技术</center>

1964年：推出第一个广泛使用的模拟集成电路

Fairchild的戴维•塔尔伯特（David Talbert）和罗伯特•威德拉（Robert Widlar）为模拟IC创建成功的商业模式，并为其开启了一个主要的行业领域。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89300-36.j…; alt="图35：罗伯特·威德拉（Robert Widlar）于1977年检查LM10掩模的布局" width="600"></center><center>图35：罗伯特·威德拉（Robert Widlar）于1977年检查LM10掩模的布局</center>

1964年：混合微电路达到产量峰值

为IBM System/360计算机家族开发的多芯片SLT封装技术进入量产阶段。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89301-37.j…; alt="图36：1964年的IBM System 360手册封面包含SLT模块" width="600"></center><center>图36：1964年的IBM System 360手册封面包含SLT模块</center>

1965年：半导体只读存储器芯片出现

半导体只读存储器（ROM）拥有高密度和每比特低成本的优势。

1965年：第一个为整体系统设计的封装产品

双直列封装（DIP）模式大大简化了印刷电路板的布局，降低了计算机的组装成本。

11965年：大型计算机采用集成电路

大型计算机制造商宣布推出专用集成电路的计算机。

1965年：“摩尔定律”预言了集成电路的未来

仙童公司的研发总监预测了集成电路中晶体管密度的增长速度，并为技术进步建立了一个标准。

1965年：为IC开发了计算机辅助设计工具

IBM工程师率先使用计算机辅助的电子设计自动化工具来减少错误并加快设计时间。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89306-42.j…; alt="图41：1967年在Fairchild上使用IBM 360/67大型机驱动的CAD系统" width="600"></center><center>图41：1967年在Fairchild上使用IBM 360/67大型机驱动的CAD系统</center>

1966年：半导体RAM满足高速存储需求

双极性RAM进入计算机市场，用于高性能暂存器和高速缓存应用。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89307-43.j…; alt="图42：16位双极性TTL RAM的金属掩膜图——1967年电视纪录片的屏幕图像" width="600"></center><center>图42：16位双极性TTL RAM的金属掩膜图——1967年电视纪录片的屏幕图像</center>

1967年：专用集成电路采用计算机辅助设计

自动化设计工具减少了开发工程设计和交付复杂的定制集成电路的时间。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89308-44.j…; alt="图43：Fairchild 4500-1967 DTL 32门Micromatrix定制阵列，使用CAD工具进行设计" ></center><center>图43：Fairchild 4500-1967 DTL 32门Micromatrix定制阵列，使用CAD工具进行设计</center>

1967年：一站式解决方案设备供应商改变了行业格局

第三方供应商为半导体制造的提供专业设备，并成为中间技术和一站式制造设备的供应商。其中应用材料成立于1967年。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89309-45.j…; alt="图44：Michael McNeilly和Walter Benzing在Applied Materials，Inc.率先开发了外延沉积设备。" width="600"></center><center>图44：Michael McNeilly和Walter Benzing在Applied Materials，Inc.率先开发了外延沉积设备。</center>

1968年：为IC开发了硅栅技术

费德里克·法格（Federico Faggin）和汤姆·克莱（Tom Klein）改善了具有硅栅结构的MOS IC的可靠性，封装密度和速度。法格设计了第一款商用硅栅极IC –飞兆3708。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89310-46.j…; alt="图45：费德里科·法金（Federico Faggin）和汤姆·克莱因（Tom Klein）于1967年在仙童（Fairchild）研发" width="600"></center><center>图45：费德里科·法金（Federico Faggin）和汤姆·克莱因（Tom Klein）于1967年在仙童（Fairchild）研发</center>

1968年：专用电流源IC集成了数据转换功能

Fairchild的George Erdi设计了首批专用于数据转换应用的IC之一的µA722 10位电流源。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89311-47.j…; alt="图46：Fairchild µA722 10位电流源，用于数模转换器"></center><center>图46：Fairchild µA722 10位电流源，用于数模转换器</center>

1969年：肖特基势垒二极管使TTL存储器的速度提高了一倍

设计方法的创新改进了行业标准的64位TTL RAM架构的速度，并降低了功耗。快速应用于新的双极逻辑和存储器设计。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89312-48.j…; alt="图47：i3101肖特基TTL 64位RAM是英特尔的第一款产品"></center><center>图47：i3101肖特基TTL 64位RAM是英特尔的第一款产品</center>

1970年：MOS动态RAM与磁芯存储器的价格竞争

英特尔i1103 DRAM开启了半导体对磁芯存储器的挑战。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89313-49.j…; alt="图48：Fairchild的1024位SAM多芯片存储平面使用16个64位PMOS静态RAM芯片（1968）" width="600"></center><center>图48：Fairchild的1024位SAM多芯片存储平面使用16个64位PMOS静态RAM芯片（1968）</center>

1971年：微处理器将CPU功能集成到单个芯片上

为了减少运算器设计需要的芯片数，英特尔工程师创造了第一个单片微处理器（CPU），i4004。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89314-50.j…; alt="图49：英特尔MPU 4004" width="600"></center><center>图49：英特尔MPU 4004</center>

1971年：微处理器将CPU功能集成到单个芯片上

以色列工程师Dov Frohman发明的紫外线可擦写ROM设计为快速开发基于微处理器的系统提供了重要的设计工具，称为可擦写、可编程只读存储器或EPROM。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89315-51.j…; alt="图50：EPROM发明家Dov Frohman" width="600"></center><center>图50：EPROM发明家Dov Frohman</center>

1974年：量化了IC工艺设计规则的数量

IBM研究员Robert Dennard关于MOS存储器的过程缩放的论文加速了缩小物理尺寸和制造越来越复杂的集成电路的全球竞争。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89316-52.j…; alt="图51：IBM研究员Robert Dennard" width="600"></center><center>图51：IBM研究员Robert Dennard</center>

1974年：通用微控制器系列的发布

TMS 1000微控制单元/MCU出现了单芯片计算器设计，可用于要求不高的任务，例如控制器或者微波炉。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89317-53.j…; alt="图52：TMS 1000微控制器的早期版本" width="600"></center><center>图52：TMS 1000微控制器的早期版本</center>

1974年：电子表是第一个片上系统集成电路

MICROMA液晶显示器（LCD）数字手表是将完整的电子系统集成到称为系统级芯片（SOC）的单个硅芯片上的第一款产品。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89318-54.j…; alt="图53：汉密尔顿Pulsar数字手表的电子模块" ></center><center>图53：汉密尔顿Pulsar数字手表的电子模块</center>

1978年：用户可编程逻辑器件的诞生

单片存储器公司的John Birkner and H. T. Chua开发了易于使用的可编程阵列逻辑（PAL）器件和工具，用于快速原型化定制逻辑功能。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89319-55.j…; alt="图54：80年代中期的H. T. Chua和John Birkner"></center><center>图54：80年代中期的H. T. Chua和John Birkner</center>

1979年：推出了单芯片数字信号处理器

贝尔实验室的单芯片DSP-1数字信号处理器设备架构针对电子开关系统进行了优化。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2020-02/wen_zhang_/100047288-89320-56.j…; alt="图55：贝尔实验室的DSP-1器件版本" ></center><center>图55：贝尔实验室的DSP-1器件版本</center>

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