半導體有什麼好處？為什麼IC（集成電路）要製作在半導體上？

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聽工程師經常提到IC，上網搜了一搜，IC是把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，製作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，然後封裝在一個管殼內，成為具有所需電路功能的微型結構。有沒有網友通俗解釋一下神馬是IC，IC幹嘛製作在半導體上。。。？

IC 指集成電路，做在半導體上是因為半導體是最適合實現晶體管的材料，而晶體管正是現在絕大多數電路的核心器件。

不過這裡我想多寫一點東西，追本溯源從「電路」的開端開始。

物理課上大家都聽過麥克斯韋方程預言了電磁波的存在，然後赫茲的實驗證明了電磁波存在，最後馬可尼實現了無線電通信。

最初的無線電接收機使用的是一類稱為「檢波器」的裝置，然而檢波器作為接收機的性能是非常糟糕的。首先它的頻率響應很難控制，導致各種亂七八糟的干擾信號都會被觸發檢波器；另一方面它對信號強度的要求也很高，導致發射端的功率必須非常大。更糟的是當時的發射設備也非常簡陋，只有火花塞之類的裝置，這種設備只能發送類似方波的信號，而學過信號與系統的都知道方波的頻譜有多寬……所以當時的無線電只能通過莫爾斯碼交流，調頻調幅什麼的都是天方夜譚。

為了解決這些問題，人們想了很多的方法，但是除了通過LC諧振電路實現了大功率正弦發生器之外，別的進展都不大。隨著這一項改進，到了1907年，人們終於第一次成功實現了AM廣播。

然而1907年最重要的進展並不是AM廣播，也不是同年發現的LED，而是真空三極體的發明，

這個在燈泡的表親構成了將來所有電路的基礎。

真空三極體的重要性在於這是第一個能夠實現放大電路的器件。有了放大電路的加入使得無線通信對於發射機功率的要求一下降低了好幾個數量級，同時通信距離也大大增加了。

不過事情當然沒有這麼簡單，真空三極體發明於1907年，但是直到1912年Armstrong （通信電路領域的祖師爺）發明再生接收機之前沒有人意識到這個器件的威力。到了1917年Armstrong 終於通過正反饋實現了有實際用途的增益，並在此基礎上完成了超外差式接收機，直到今天相當多的RF接收機依然在使用這一結構。

為什麼說三極體是放大電路的基礎？

中學電路三巨頭：電阻、電容、電感都是二端器件，輸入端輸出端無法分開，必須共享負載。單純使用這些元件只能組合出分壓或是分流電路，而無法放大一個信號。

而有了三極體，輸出端與輸入端得以分開，可以通過輸入端控制輸出端信號。再給輸入端和輸出端分配不同大小的負載，就可以實現大於1的增益。

有了電子管，無線電終於得以真正的實用化。

但是接下來，另一項需求將電路由真空管時代推向了固體電路時代——那就是計算機。

電路領域大致可以分為兩大塊，一是通信（發射機、接收機），一是計算（處理器、寄存器）。

大概到了二戰的時代，電子管基本上已經可以滿足當時的通信需求了。基於電子管的無線電設備雖然昂貴嬌氣，但是畢竟消耗量不大（Armstrong的超外差接收機只需要5個電子管），所以大家用著也沒覺得有什麼問題。

然而二戰期間計算需求急劇增加，傳統的機械計算機已經不堪重負，電子計算機的需求異常迫切。

接下來大家都知道了，美國人搞出了ENIAC，第一台圖靈完全的電子計算機。ENIAC消耗了17000個以上的電子管，代價是重量接近30噸，以及幾乎每天都會有損壞的電子管需要替換。

這樣的開銷顯然讓人蛋疼，於是尋找一種更小、更廉價、更可靠的器件來代替電子管就成了研究者們的新目標。

實際上金屬氧化物晶體二極體早就已經發明了，ENIAC 里也使用了大量的二極體。可惜二極體和電阻電容電感一樣，因為是二端器件所以沒法單獨完成放大或是計算。

在1922年，蘇聯工程師Losev 利用紅鋅礦二極體的負阻抗特性成功實現了一個放大電路，可惜由於紅鋅礦的稀少所以沒有實用化。後來據說Losev 曾進行過硅晶體管的研究，不過隨後二戰爆發，他死於列寧格勒圍城戰中，相關的研究記錄也全部丟失了。

在大洋彼岸，1925年加拿大的Lilienfeld 第一個提出了場效應管（結型場效應管，JFET）的設計理念，提出了在半導體材料上實現類似電子管功能的想法。然而受限與當時的工藝水平，這個想法一直沒有實現。

第一個將晶體三極體變為現實的，是巴丁和布拉頓，他們發明了雙極晶體管（BJT），並與發明了P/N結二極體的肖克來一起獲得了諾貝爾獎。

最初的雙極晶體管是點接觸構造的，看過圖片就知道這種結構有多蛋疼：

不過一年之後（1948年），肖克來利用自己在P/N結二極體上的經驗，設計了結型構造的雙極性晶體管，這一結構立即成了BJT的標準結構，並服役至今。

此後，除了少數特殊領域（高溫、大功率……）BJT 迅速取代了電子管，電子計算機的成本和體積都大大減小了。

經歷了這一飛躍之後，人們自然會開始想：

由於電子計算機大部分器件都是晶體管組成的邏輯門，而晶體管，都是由半導體材料製造的。自然而然地，人們就會希望把所有晶體管集中在同一塊半導體上，而不是製造一堆獨立的晶體管再手工連接起來。

接下來的嘗試，就是將印刷電路板上做過的事情在半導體上再做一次。不過由於材質和工藝精度的要求，直到1958-1959年，基爾比和諾伊斯才先後實現了集成電路——將晶體管、電阻、電容和導線集成在同一塊半導體上。

有點事，剩下的有空再寫。

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第一代的集成電路和第一代晶體管一樣，都是鍺基電路。

但是鍺有一些令人蛋疼的問題：比如熱穩定性，比如氧化物不緻密，比如界面缺陷很多。這些問題導致鍺基電路始終走不出實驗室，只能在論文里刷刷存在感。

於是研究者們順著元素周期表向上爬了一格，看中了硅。

硅和鍺一比，簡直就是半導體界的模範元素。

熱穩定性不錯，有著緻密、高介電常數的氧化物，可以輕易製備出界面缺陷極少的硅-氧化硅界面，地表含量極大，提純非常容易……

更妙的是，氧化硅不溶於水（氧化鍺溶於水），也不溶於大多數的酸，這簡直是和印刷電路板的腐蝕印刷技術一拍即合。結合的產物，就是延續至今的集成電路平面工藝。

當然，集成電路的工藝精度要求比印刷電路板高了不止一個量級，直接套用印刷電路板的技術自然是不行的。於是集成電路自己發展出了一套光刻-腐蝕（刻蝕）-擴散（注入）-濺射（澱積）的工藝體系，這就是延續至今的集成電路平面工藝。

所謂平面工藝，是因為所有工藝步驟都是對整個硅晶圓表面均勻進行，整個工藝完全是二維圖形的操作。

平面工藝製備BJT是有一些困難的：

BJT是PNP（或是NPN）的三層結構，在使用平面工藝製備的時候，如果把三層縱向放，就需要浪費一定的面積給下面兩層引出到表面，而且工藝步驟也較複雜。如果三層橫向放置，由於BJT的基極（B級）必須非常薄，以當時的光刻和摻雜精度很難實現。

最後工藝界使用的縱向放置來實現BJT，以這個工藝為基礎，集成電路進入了TTL（Transistor-Transistor Logic，晶體管-晶體管邏輯電路）時代。

目前為止最後一次大的變革，是90年代CMOS（互補金屬氧化物半導體）取代了TTL佔據了市場主流。

CMOS的基礎是MOSFET（金屬氧化物半導體場效應管），前文提到場效應管的歷史可以追溯到20年代，但是MOSFET的誕生要等到1960年。新生的MOSFET很快取代了JFET，成為了場效應管的主流。

60年代到90年代，面對如日中天的BJT，MOSFET始終被壓制著。主要原因是BJT的電流更大，速度更快，耐壓耐擊穿更強。雖然MOSFET因為工藝步驟少、佔用面積小，所以更便宜一些，但是始終沒能佔據主流。

不過這將近30年的時間裡，集成電路產業跟著戈登·摩爾的預言經歷了史無前例的瘋狂發展。工藝精度每1-2年就要前進一個節點（特徵尺寸*0.7）。

隨著電路尺寸越來越小，晶元上集成的晶體管越來越多，晶元的功耗和發熱已經成了一個非常嚴峻的問題。這個時候TTL和BJT電路的一個先天劣勢就暴露了出來。

BJT本質上，是一個輸入電流控制輸出電流，實現電流放大的三端器件。由於輸入信號是電流，輸入信號必須消耗功耗。而且BJT的特性和大量使用的電阻負載和偏置以及較高的工作電壓，也使得TTL電路的關斷漏電和靜態功耗很難抑制。

而MOSFET則不同，場效應管是一個通過輸入電壓控制輸出電流的多端器件，它的輸入漏電比BJT要小几個數量級。而且MOSFET的溝道電流要小於BJT（這也是MOSFET速度慢的原因之一），關斷漏電上抑制非常好。最後，CMOS工藝徹底排除了電阻負載，使用PMOS、NMOS互為負載，實現了近乎於0的靜態功耗。

CMOS的結構也比TTL更簡單，實現成本更低。功耗和成本上的雙重優勢，最終壓倒了TTL那越來越小的性能優勢。CMOS佔據了集成電路的主流地位。

再之後的發展，更多的是在CMOS的基礎上對材料和結構做一點小修小補（雙阱工藝、strain、SOI襯底、HK-MG、FIN-FET）來延續摩爾定律。但是硅襯底和CMOS結構兩大基礎沒有再發生變化。

可以不用半導體，原則上任意的絕緣襯底都可以鋪導線。比如印刷電路板就是酚醛基底上鋪導線。但光有導線不行啊，沒有開關還是構不成集成電路。而半導體晶體管就是開關。在其它襯底上做開關還要另外長硅晶體，還不如直接用單晶硅做襯底，這樣做晶體管可以直接就地取材。比如這一塊注入磷做N區，這一塊注入硼做P區，上面再長一層二氧化硅做柵極。

事實上不用半導體做襯底的集成電路也不是沒有。手機屏幕就是一個玻璃基板的集成電路。為此手機屏幕用的是一種特殊的器件叫「薄膜場效應管」（TFT）。TFT就是用來驅動液晶或OLED的。然而玻璃承受不了高溫，無法生長多晶硅，所以TFT用的是無定形硅。無定形硅性能不好，耐電流小，對於需要大電流的自發光器件（比如OLED）難以滿足要求。為了能在玻璃基板上長多晶硅，人們開發出了低溫多晶硅（LTPS）。但LTPS的性能不穩定，難以實用化。我不知道如果用藍寶石做屏幕可不可以直接長多晶硅甚至是單晶硅？

絕緣體是0，導體是1，半導體才能有控制的表述0和1。

有了0和1（二進位的世界），就有了語言，有了語言就可以表達邏輯，表述世界... ...老子說的，「生萬物」。

世界上第一塊集成電路，做在紙上

簡單來講，導體導電，絕緣體不導電，而半導體，在不同條件下可以表現出導電或不導電的特性。這一特性可以用來製作出電阻，電容，開關管等一些具有設計者想要的IV特性的電路。

ic，集成電路，即「採用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、二極體、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，製作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上，然後封裝在一個管殼內，成為具有所需電路功能的微型結構」。

將ic做到半導體上是因為，半導體的特性，在現有的工藝條件下，可以實現電路的微小型，低功耗和高可靠度。