前言
：積體電路（晶片）技術自1958年誕生以來，已有63年的發展歷史。在今天的資訊化社會中，晶片無疑是最重要的基礎支撐。近年來，晶片核心技術已成為美國維護科技霸權，圍堵打壓他國的利器。人們都想知道，晶片技術是如何由開始的原始和不成熟，一步一步發展成為今天高科技皇冠上的技術明珠。本文將以照片和圖示為主，以文字為輔，說說晶片技術60多年的發展史。由於篇幅所限，暫定分上、中、下三篇敘述。
要介紹晶片技術發展史，就要從
半導體
的發現和研究、
電子管
、
電晶體
和
積體電路
的發明說起。正是因為這些發現、研究和發明，電子技術及電子工業才得以誕生。從此，人類社會拉開了電子資訊化的序幕。
1.
半導體發現和研究(1833～1947年,持續114年)
1833
年
，英國科學家邁克爾。法拉第（Michael Faraday）在測試硫化銀（Ag2S）特性時，發現硫化銀的電阻隨著溫度的上升而降低的特異現象，被稱為
電阻效應
，這是人類發現的
半導體的第一個特徵
。
1839
年
，法國科學家埃德蒙。貝克雷爾（Edmond Becquerel）發現半導體和電解質接觸形成的結，在光照下會產生一個電壓，這就是後來人們熟知的光生伏特效應，簡稱
光伏效應
。這是人類發現的
半導體的第二個特徵
。
1873
年
，英國的威洛比。史密斯（Willoughby Smith）發現硒（Se）晶體材料在光照下電導增加的
光電導效應
，這是人類發現的
半導體的第三個特徵
。
1874
年
，德國物理學家費迪南德。布勞恩（Ferdinand Braun）觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關。在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導電，這就是半導體的
整流效應
，這是人類發現的
半導體的第四個特徵
。同年，出生在德國的英國物理學家亞瑟。舒斯特（Arthur Schuster）又發現了銅（Cu）與氧化銅（CuO）的整流效應。
圖1
。發現半導體特性的四位科學家
（法拉第、貝克雷爾、史密斯、布勞恩）
雖然半導體的這四個效應在1880年以前就先後被科學家發現，但
半導體
這個名詞大概到了1911年才被科尼斯伯格（J。Konigsberger）和維斯（I。Weiss）首次使用。後來，關於半導體的整流理論、能帶理論、勢壘理論才在眾多科學家的努力下逐步完成。
其後二十多年，世界上出現了一些半導體應用案例。例如，1907～1927年美國的物理學家研製成功了晶體整流器、硒整流器和氧化亞銅（Cu2O）整流器等。1931年，硒光伏電池研製成功。1932年，德國先後研製成功硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）和碲化鉛（PbTe）等半導體紅外探測器等。
1947
年
，美國貝爾實驗室全面總結了半導體材料的上述四個特性。
從1880～1947年長達67年的時間裡，由於半導體材料難以提純到理想的程度，因此半導體材料研究和應用程序非常緩慢。
此後，四價元素鍺（Ge）和矽（Si）成為了科學家最為關注和大力研究的半導體材料。而在肖克萊（W。Shockley）發明鍺晶體三極體的幾年後，人們發現矽更加適合生產電晶體。此後，矽成為應用最廣泛的半導體材料，並一直延續至今。這也是美國北加州成為矽工業中心後，被稱為“矽谷”的原因。
半導體材料是導電效能介於導體和絕緣體之間的材料，它們的電阻比導體大得多，但又比絕緣體小得多。其電學效能可以人為加以改變。
常見的半導體材料有矽（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）、碳化矽（SiC）、氮化鎵（GaN）等。
2.
電子管的發明(1906年，距今115年)
1904
年
，英國物理學家約翰。安布羅斯。弗萊明（John Ambrose Fleming）發明了世界上第一個
電子管
，它是一個
真空二極體
，他獲得了這項發明的專利。
圖2
。弗萊明發明的真空二極體
1906
年
，美國工程師李。德。福雷斯特（Lee de Forest）在弗萊明真空二極體的基礎上又多加入了一個柵極，發明了另一種
電子管
，它是一個
真空三極體
，使得電子管在檢波和整流功能之外，還具有了放大和震盪功能。福雷斯特於1908年2月18日拿到了這項發明的專利。
圖3
。福雷斯特發明的真空三極體
真空三極體被認為是電子工業誕生的起點。它的應用時期長達40多年。
由於電子管具有體積大、耗電多、可靠性差的缺點，最終它被後來者電晶體所取代。
3.
電晶體的發明(1947年，距今74年)
1947
年
，美國貝爾實驗室的巴丁（J。Bardeen）、布拉頓（W。 Brattain）、肖克萊（W。Shockley）三人發明了
點觸型電晶體
，這是一個NPN鍺（Ge）電晶體，他們三人因此項發明獲得了1956年諾貝爾物理學獎。
圖4
。電晶體發明三人組
圖5
。獲得1956年諾貝爾物理學獎的三人組
1950
年
，當蒂爾（G。K。Teal）和利特爾（J。B。Little）研究成功生長大單晶鍺的工藝後，威廉姆。肖克萊（W。Shockley）於1950年4月製成第一個雙極結型電晶體—
PN
結型電晶體
，這種電晶體實際應用比點觸型電晶體廣泛得多。今天的電晶體，大部分仍是這種PN接面型電晶體。所謂PN接面就是P型半導體和N型半導體的結合之處，P型半導體多空穴。N型半導體多電子。
圖6
。PN接面型電晶體結構示意圖（左）電晶體符號（右）
1952
年
，實用的結場效應電晶體（JunctionField-Effect Transistor，JFET）被製造出來。
結場效應電晶體
（JFET）是一種用電場效應來控制電流的電晶體。到了1960年，有人提出用二氧化矽改善雙極性電晶體的效能，就此金屬-氧化物-半導體（Metal Oxid Semiconductor，MOS）場效應電晶體誕生。艾塔拉（M。Atalla）也被認為是
MOS場效應電晶體
（MOSFET）的發明人之一。
MOSFET宣告了在電子技術中的統治地位，並且支撐了當今資訊社會的基石——大規模積體電路發展。實際上，場效應電晶體（FET）由朱利葉斯。利林費爾德（JuliusLilienfeld）於1925年和德國物理學家奧斯卡。海爾（Oskar Heil）於1934年分別發明出來，只是一直未能製造出實用的電晶體器件。
圖7
。MOSFET的發明貢獻者及發明年份
圖8
。場效應電晶體（FET）分類及實物圖
電晶體從雙極型到MOS型，從分立式器件到整合在晶片之中，加上其所用不同的半導體材料，電晶體型別和品種繁多。電晶體主要起到小訊號放大、功率放大、電流開關等作用，它是晶片中整合的數量最多的最基本的電路元器件。
圖9
。各種電晶體的分類
電晶體發明是微電子技術發展歷程中第一個里程碑。
電晶體的發明使人類步入了飛速發展的電子資訊時代。到目前為止，它的應用已長達74年之久。
圖10
。各種封裝形式的分立式電晶體
4.
積體電路(晶片)的發明(1958年，距今63年)
1950
年
，美國人拉塞爾。奧爾（Russell Ohl）和威廉姆。肖克萊（W。Shockley）發明了
離子注入工藝
，1954年肖克萊申請了這項發明的專利。
離子注入
是將雜質電離成離子並聚焦成離子束，在電場中加速後注入到矽材料中去，實現對矽材料的摻雜，目的是改變矽材料的導電效能。離子注入是最早採用的半導體摻雜方法，
它是晶片製造的基本工藝之一。
圖11
。簡要的離子注入原理示意圖
1956
年
，美國人富勒（C。S。Fuller）發明了
擴散工藝
；擴散是摻雜的另一種方法，
它也是晶片製造的基本工藝之一。
圖12
。 一種熱擴散裝置示意圖
離子注入
工藝和
擴散
工藝是兩種摻雜方法。離子注入用於形成較淺的半導體結（Junction），擴散用於形成較深的半導體結。摻雜就像炒菜中新增調味料，它是對半導體材料的“添油加醋”。少量的其它物質摻進很純的半導體材料中，使其變得不純，對於半導體材料來說，其它物質就是雜質，摻入的過程就稱為摻雜。
摻雜是將一定數量的其它物質摻加到半導體材料中，人為改變半導體材料的電學效能的過程。
圖13
。兩種半導體摻雜示意圖
1958
年
，美國仙童公司的羅伯特。諾伊斯（Robert Noyce）與美國德儀公司的傑克。基爾比（Jack Kilby）間隔數月分別發明了
積體電路
，開創了世界微電子學的歷史。諾伊斯是在基爾比發明的基礎上，發明了可商業生產的積體電路，使半導體產業由“發明時代”進入了“商用時代”。
基爾比因為發明積體電路而獲得2000年的諾貝爾物理學獎。諾伊斯是快捷半導體公司（1957年成立）和英特爾公司（1968年成立）的創辦人之一，他是偉大的科學家，是積體電路史上重要人物。遺憾的是，他之前在肖克萊實驗室工作時，發明“負阻二極體”得不到老闆支援而終止，後來日本科學家江崎玲於奈（Leo Esaki）在此項發明上獲諾貝爾獎；他於1990年逝世，未等到2000年與基爾比分享當年的諾貝爾物理學獎，兩次均與科技最高榮譽無緣。但是，他們兩人都被譽為是積體電路之父。
圖14
。基爾比和諾伊斯與他們發明的晶片
1959
年
，貝爾實驗室的韓裔科學家江大原（Dawon Kahng）和馬丁。艾塔拉（MartinM。Atalla）發明了
金氧半導體場效應電晶體
（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，
MOSFET
），這是第一個真正的緊湊型MOSFET，也是第一個可以小型化並實際生產的電晶體，它可以大部分代替JFET。MOSFET對電子行業的發展有著深遠的影響。
圖15
。江大原和艾塔拉發明了MOSFET
5.
光刻工藝是晶片製造的靈魂 (發明距今61年)
1960
年
，盧爾（H。H。Loor）和克里斯坦森（Christenson）發明了
外延工藝
。外延是指在半導體單晶材料上生長一層有一定要求的、與基片晶向相同的單晶層，猶如原來的晶體向外延伸生長了一層。
圖16
。矽氣相外延生長裝置原理示意圖
1960
年，光刻工藝是首次應用在晶片製造中的嗎？
這是一個重要問題，需要本文重點討論。我的公眾號【芯論語】的另一篇文章“光刻如何一步一步變成了晶片製造的卡脖子技術？”指出，
光刻工藝是晶片製造的靈魂技術。
正是光刻工藝的出現，才使得矽器件製造進入到了平面加工技術時代，才有大規模積體電路和微電子學飛速發展的今天。
泛指意義上的光刻技術發明，應該追溯到1822年法國科學家約瑟夫。尼瑟福。尼埃普斯（Joseph Nicephore Niepce）的感光材料試驗和刻蝕實驗，以及他在1827年製作的d’Amboise主教雕板像複製品。本文所說的光刻工藝特指晶片製造過程中的光刻工藝技術。
晶片製造的光刻工藝到底是什麼時候發明的？
筆者發現網上這方面的文章很少，即使有文章介紹，也都是一筆帶過。網上資料主要有兩種說法，第一種說法是，
1960年
盧爾（H。H。Loor）和卡斯特蘭尼（E。Castellani）發明了光刻工藝［4］。第二種說法是，
1970年
斯皮勒（E。Spiller）和卡斯特蘭尼（E。Castellani）發明了光刻工藝［5］。兩種說法中光刻發明時間竟相差10年之久。網上也很難查到盧爾、卡斯特蘭尼和斯皮勒如何發明光刻工藝，甚至難以查到他們的生平介紹。
筆者更相信
1960年應是光刻工藝發明的年份。
因為，如果光刻工藝是1970年才發明，那麼1958～1970年這十多年時間裡，貝爾實驗室、仙童公司、TI、RCA和Intel等先驅公司的半導體產品（雙極、FET、MOSFET電晶體）和晶片是很難製造出來的。
筆者也相信
仙童公司應該是光刻工藝的發明地
。1958年仙童公司幾位創始人從照相機商店購買了三個16毫米鏡頭，製作了一個步進和重複照相裝置，用來製作掩模，並對掩模板、光刻膠進行了改進。1959年，羅伯特。諾伊斯（Robert Noyce）在日記中提出一個技術設想，“既然能用光刻法制造單個電晶體，那為什麼不能用光刻法來批次製造電晶體呢？”，“把多種元件放在單一矽片上將能夠實現工藝流程中的元件內部連線，這樣體積和重量就會減小，價格也會降低”。為此，仙童公司開始將光刻工藝嘗試應用於電晶體批次製造。諾伊斯提出了“平面技術”的設想，瓊。赫爾尼（Jean Hoerni）就是將這一設想轉換為實際可行的“平面處理”技術的那位大牛人［11］。
圖17
。赫爾尼及所編寫的平面處理工藝技術文件
從光刻機的發展年代來看，上世紀60年代是接觸式光刻機、接近式光刻機；70年代是投影式光刻機；80年代是步進式光刻機；再到步進式掃描光刻機，浸入式光刻機和現在的EUV光刻機［16］，可見晶片製造的光刻工藝不可能是1970年才發明出來。
離子注入
、
擴散
、
外延
、
光刻
等工藝技術，加上
真空鍍膜
技術、
氧化
技術和
測試封裝
技術，構成了
矽平面加工技術
的主體，通俗地說是構成了晶片製造的主體。
沒有光刻技術就沒有今天的晶片技術和產業，也就沒有我們現在的資訊化和智慧化社會。
6.
晶片技術不斷成熟，沿摩爾定律快速發展
1962
年
，美國無線電公司（RCA）的史蒂文。霍夫施泰因（Steven Hofstein） 弗雷德裡克。海曼（Frederic Heiman）研製出了可批次生產的金氧半導體場效應電晶體MOSFET，並採用實驗性的16個MOS電晶體整合到一個晶片上，這是
全球真正意義上的第一個MOS積體電路。
圖18
。霍夫施泰因和全球首款MOS積體電路
1963
年
，仙童公司的弗蘭克。萬拉斯（Frank M。Wanlass）和華人薩支唐（C。T。Sah）首次提出
CMOS電路技術
。他們把N-MOS和P-MOS連線成互補結構，兩種極性的MOSFET一關一開，幾乎沒有靜態電流，適合於邏輯電路。1963年6月，萬拉斯為CMOS申請了專利，但是幾天之後，他就離開了仙童公司。首款CMOS電路晶片是由RCA公司研製。
CMOS電路技術為大規模積體電路發展奠定了堅實基礎。
今天，95%以上的積體電路晶片都是基於CMOS工藝製造。
圖19
。CMOS反相器電路符號及器件模型
同年，仙童公司26歲的電路設計天才羅伯特。維德拉（Robert Widlar）設計了第一顆整合運算放大器電路μA702。
圖20
。仙童公司μA702運算放大器晶片
1964年，Intel公司創始人之一的戈登。摩爾（Gordon Moore）提出著名的
摩爾定律
（Moore‘s Law），預測晶片技術的未來發展趨勢是，
當價格不變時，晶片上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，效能也將提升一倍
。後來50多年晶片技術的發展證明了摩爾定律基本上還是準確的。
圖21
。摩爾，晶片技術沿摩爾定律發展趨勢圖
1966
年
，美國RCA公司研製出CMOS積體電路和第一塊50門的門陣列晶片。
1967
年
，美國應用材料公司（AppliedMaterials）成立，現已成為全球最大的半導體裝置製造公司。2020財年全年營收172億美元，研發投入達22億美元，全球擁有24000名員工，擁有14300個專利。業務涵蓋半導體、顯示器、太陽能、柔性鍍膜、自動化軟體等。下圖是應用材料公司半導體業務部分的綜述。
圖22
。美國應用材料公司的半導體業務（來源：應用材料公司官網）
1967
年
，貝爾實驗室江大原（DawonKahng）和施敏博士（Simon Sze）共同發明了
非揮發儲存器
。這是一種浮柵MOSFET，它是可擦除可程式設計只讀儲存器（EPROM）、電可擦除可程式設計只讀儲存器（EEPROM）、快閃記憶體（Flash）的基礎。
圖23
。普通MOSFET與浮柵MOSFET示意圖
1968
年
，IBM公司的羅伯特。登納德（Robert H。Dennard）發明
單電晶體動態隨機存取儲存器
（DRAM）。發明名稱是“一個關於電晶體動態RAM單元的發明”。單電晶體DRAM是一個劃時代的發明，它後來成為了計算機記憶體的標準。Dennard於1997年入選了國家發明家名人堂；2009年獲得IEEE榮譽勳章，這是電子電氣領域的最高榮譽。
圖24
。登納德與單電晶體DRAM示意圖
未完待續。
敬請期待【芯論語】
科普：圖說晶片技術60多年的發展史(中篇)
。
後記
：
1947～1968年的20多年是全球晶片技術和電子工業的起步期，這個時期內創新人才輩出，深遠影響的發明層出不窮。電晶體、積體電路、以光刻為核心的矽平面加工技術、CMOS電路、非揮發儲存器、單管DRAM電路等發明為晶片技術快速發展打下了基礎，為晶片技術沿著摩爾定律前行鋪平了道路。但是，人類在走上這條康莊大道之前，從半導體的認識和發現到電晶體的發明，在崎嶇的道路上已摸索了114年的時間，其中包括痴迷電子管的40多年時間。科技進步不可能一撮而就，它是一個逐步認識、發現和成熟的過程。
參考資料
：
3。劉亮，PC發展史① 一顆電晶體引發的數字革命，中關村線上：https：//power。zol。com。cn/519/5191311_all。html#p5191311，2015。5。14
5。吉林大學，半導體器件物理精品教學第二章，豆丁網：https：//www。docin。com/p-2116387652。html，2018。6。28
6。1967年至今，快閃記憶體的發展史，儲存線上：http：//www。dostor。com/p/58538。html，2019。8。9
7。Long_龍1993，摻雜——擴散和離子注入，360個人圖書館：http：//www。360doc。com/content/20/0212/13/68538116_891471588。shtml，2020。2。12
8。科技真相，晶片戰爭-61：一次意外事故造就氧化層掩膜技術，知乎：https：//zhuanlan。zhihu。com/p/359789998，2020。3。22
9。頭像被遮蔽，電晶體的分類與特徵，電子發燒友論壇：https：//bbs。elecfans。com/jishu_1948567_1_1。html，2020。6。9
10。腦極體，晶片破壁者（一）：從電子管到電晶體“奇蹟”尋蹤，鳳凰網：https：//tech。ifeng。com/c/7xrkgT2K4dg，2020。7。5
11。TMT研究-愛好者，晶片戰爭-64：從檯面工藝到平面工藝，突破量產化瓶頸，雪球網：https：//xueqiu。com/9231373161/156639463，2020。8。14
12。亞化，一圖讀懂半導體積體電路發展史，騰訊網：https：//xw。qq。com/amphtml/20200917A0FZSG00，2020。9。17
13。Long_龍1993，為什麼晶片上的電晶體越做越小，360個人圖書館：http：//www。360doc。com/content/20/1009/21/68538116_939647723。shtml，2020。10。9
14。康師兄，電子時代的起點，美篇：https：//www。meipian。cn/3cw3o1d9，2021。1。10
15。圖解晶片技術，積體電路發展史上的十大里程碑事件！電子發燒友：http：//www。elecfans。com/d/1490110。html，2021。2。1
16。感測器專家網，光刻機技術到底是誰發明的？騰訊網：https：//new。qq。com/rain/a/20210309A0BB0500，2021。3。9
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