● 半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展史 |全球和中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史和大事記
中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史大事記
1947年,美國貝爾實驗室發(fā)明了半導(dǎo)體點接觸式晶體管,從而開創(chuàng)了人類的硅文明時代。
1956年,我國提出“向科學(xué)進(jìn)軍”,根據(jù)國外發(fā)展電子器件的進(jìn)程,提出了中國也要研究半導(dǎo)體科學(xué),把半導(dǎo)體技術(shù)列為國家四大緊急措施之一。中國科學(xué)院應(yīng)用物理所首先舉辦了半導(dǎo)體器件短期培訓(xùn)班。請回國的半導(dǎo)體專家黃昆、吳錫九、黃敞、林蘭英、王守武、成眾志等講授半導(dǎo)體理論、晶體管制造技術(shù)和半導(dǎo)體線路。在五所大學(xué)――北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、吉林大學(xué)、廈門大學(xué)和南京大學(xué)聯(lián)合在北京大學(xué)開辦了半導(dǎo)體物理專業(yè),共同培養(yǎng)第一批半導(dǎo)體人才。培養(yǎng)出了第一批著名的教授:北京大學(xué)的黃昆、復(fù)旦大學(xué)的謝希德、吉林大學(xué)的高鼎三。1957年畢業(yè)的第一批研究生中有中國科學(xué)院院士王陽元(北京大學(xué)微電子所所長)、工程院院士許居衍(華晶集團(tuán)中央研究院院長)和電子工業(yè)部總工程師俞忠鈺(北方華虹設(shè)計公司董事長)。
1957年,北京電子管廠通過還原氧化鍺,拉出了鍺單晶。中國科學(xué)院應(yīng)用物理研究所和二機(jī)部十局第十一所開發(fā)鍺晶體管。當(dāng)年,中國相繼研制出鍺點接觸二極管和三極管(即晶體管)。
1958年,美國德州儀器公司和仙童公司各自研制發(fā)明了半導(dǎo)體集成電路(IC)之后,發(fā)展極為迅猛,從SSI(小規(guī)模集成電路)起步,經(jīng)過MSI(中規(guī)模集成電路),發(fā)展到LSI(大規(guī)模集成電路),然后發(fā)展到現(xiàn)在的VLSI(超大規(guī)模集成電路)及最近的ULSI(特大規(guī)模集成電路),甚至發(fā)展到將來的GSI(甚大規(guī)模集成電路),屆時單片集成電路集成度將超過10億個元件。
1959年,天津拉制出硅(Si)單晶。
1960年,中科院在北京建立半導(dǎo)體研究所,同年在河北建立工業(yè)性專業(yè)化研究所――第十三所(河北半導(dǎo)體研究所)。
1962年,天津拉制出砷化鎵單晶(GaAs),為研究制備其他化合物半導(dǎo)體打下了基礎(chǔ)。
1962年,我國研究制成硅外延工藝,并開始研究采用照相制版,光刻工藝。
1963年,河北省半導(dǎo)體研究所制成硅平面型晶體管。
1964年,河北省半導(dǎo)體研究所研制出硅外延平面型晶體管。
1965年12月,河北半導(dǎo)體研究所召開鑒定會,鑒定了第一批半導(dǎo)體管,并在國內(nèi)首先鑒定了DTL型(二極管――晶體管邏輯)數(shù)字邏輯電路。1966年底,在工廠范圍內(nèi)上海元件五廠鑒定了TTL電路產(chǎn)品。這些小規(guī)模雙極型數(shù)字集成電路主要以與非門為主,還有與非驅(qū)動器、與門、或非門、或門、以及與或非電路等。標(biāo)志著中國已經(jīng)制成了自己的小規(guī)模集成電路。
1968年,組建國營東光電工廠(878廠)、上海無線電十九廠,至1970年建成投產(chǎn),形成中國IC產(chǎn)業(yè)中的“兩霸”。
1968年,上海無線電十四廠首家制成PMOS(P型金屬-氧化物半導(dǎo)體)電路(MOSIC)。拉開了我國發(fā)展MOS電路的序幕,并在七十年代初,永川半導(dǎo)體研究所(現(xiàn)電子第24所)、上無十四廠和北京878廠相繼研制成功NMOS電路。之后,又研制成CMOS電路。
七十年代初,IC價高利厚,需求巨大,引起了全國建設(shè)IC生產(chǎn)企業(yè)的熱潮,共有四十多家集成電路工廠建成,四機(jī)部所屬廠有749廠(永紅器材廠)、871(天光集成電路廠)、878(東光電工廠)、4433廠(風(fēng)光電工廠)和4435廠(韶光電工廠)等。各省市所建廠主要有:上海元件五廠、上無七廠、上無十四廠、上無十九廠、蘇州半導(dǎo)體廠、常州半導(dǎo)體廠、北京半導(dǎo)體器件二廠、三廠、五廠、六廠、天津半導(dǎo)體(一)廠、航天部西安691廠等等。
1972年,中國第一塊PMOS型LSI電路在四川永川半導(dǎo)體研究所研制成功。
1973年,我國7個單位分別從國外引進(jìn)單臺設(shè)備,期望建成七條3英寸工藝線,最后只有北京878廠,航天部陜西驪山771所和貴州都勻4433廠。
1976年11月,中國科學(xué)院計算所研制成功1000萬次大型電子計算機(jī),所使用的電路為中國科學(xué)院109廠(現(xiàn)中科院微電子中心)研制的ECL型(發(fā)射極耦合邏輯)電路。
1982年,江蘇無錫的江南無線電器材廠(742廠)IC生產(chǎn)線建成驗收投產(chǎn),這是一條從日本東芝公司全面引進(jìn)彩色和黑白電視機(jī)集成電路生產(chǎn)線,不僅擁有部封裝,而且有3英寸全新工藝設(shè)備的芯片制造線,不但引進(jìn)了設(shè)備和凈化廠房及動力設(shè)備等“硬件”,而且還引進(jìn)了制造工藝技術(shù)“軟件”。這是中國第一次從國外引進(jìn)集成電路技術(shù)。第一期742廠共投資2.7億元(6600萬美元),建設(shè)目標(biāo)是月投10000片3英寸硅片的生產(chǎn)能力,年產(chǎn)2648萬塊IC成品,產(chǎn)品為雙極型消費類線性電路,包括電視機(jī)電路和音響電路。到1984年達(dá)產(chǎn),產(chǎn)量達(dá)到3000萬塊,成為中國技術(shù)先進(jìn)、規(guī)模最大,具有工業(yè)化大生產(chǎn)的專業(yè)化工廠。
1982年10月,國務(wù)院為了加強全國計算機(jī)和大規(guī)模集成電路的領(lǐng)導(dǎo),成立了以萬里副總理為組長的“電子計算機(jī)和大規(guī)模集成電路領(lǐng)導(dǎo)小組”,制定了中國IC發(fā)展規(guī)劃,提出“六五”期間要對半導(dǎo)體工業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造。
1983年,針對當(dāng)時多頭引進(jìn),重復(fù)布點的情況,國務(wù)院大規(guī)模集成電路領(lǐng)導(dǎo)小組提出“治散治亂”,集成電路要“建立南北兩個基地和一個點”的發(fā)展戰(zhàn)略,南方基地主要指上海、江蘇和浙江,北方基地主要指北京、天津和沈陽,一個點指西安,主要為航天配套。
1986年,電子部廈門集成電路發(fā)展戰(zhàn)略研討會,提出“七五”期間我國集成電路技術(shù)“531”發(fā)展戰(zhàn)略,即普及推廣5微米技術(shù),開發(fā)3微米技術(shù),進(jìn)行1微米技術(shù)科技攻關(guān)。
1988年,871廠紹興分廠,改名為華越微電子有限公司。
1988年9月,上無十四廠在技術(shù)引進(jìn)項目,建了新廠房的基礎(chǔ)上,成立了中外合資公司――上海貝嶺微電子制造有限公司。
1988年,在上海元件五廠、上無七廠和上無十九廠聯(lián)合搞技術(shù)引進(jìn)項目的基礎(chǔ)上,組建成中外合資公司――上海飛利浦半導(dǎo)體公司(現(xiàn)在的上海先進(jìn))。
1989年2月,機(jī)電部在無錫召開“八五”集成電路發(fā)展戰(zhàn)略研討會,提出了“加快基地建設(shè),形成規(guī)模生產(chǎn),注重發(fā)展專用電路,加強科研和支持條件,振興集成電路產(chǎn)業(yè)”的發(fā)展戰(zhàn)略。
1989年8月8日,742廠和永川半導(dǎo)體研究所無錫分所合并成立了中國華晶電子集團(tuán)公司。
1990年10月,國家計委和機(jī)電部在北京聯(lián)合召開了有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和專家參加的座談會,并向黨中央進(jìn)行了匯報,決定實施九O八工程。
1991年,首都鋼鐵公司和日本NEC公司成立中外合資公司――首鋼NEC電子有限公司。
1995年,電子部提出“九五”集成電路發(fā)展戰(zhàn)略:以市場為導(dǎo)向,以CAD為突破口,產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合,以我為主,開展國際合作,強化投資,加強重點工程和技術(shù)創(chuàng)新能力的建設(shè),促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)進(jìn)入良性循環(huán)。
1995年10月,電子部和國家外專局在北京聯(lián)合召開國內(nèi)外專家座談會,獻(xiàn)計獻(xiàn)策,加速我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展。11月,電子部向國務(wù)院做了專題匯報,確定實施九0九工程。
1997年7月17日,由上海華虹集團(tuán)與日本NEC公司合資組建的上海華虹NEC電子有限公司組建,總投資為12億美元,注冊資金7億美元,華虹NEC主要承擔(dān)“九0九”工程超大規(guī)模集成電路芯片生產(chǎn)線項目建設(shè)。
1998年1月,華晶與上華合作生產(chǎn)MOS圓片合約簽定,有效期四年,華晶芯片生產(chǎn)線開始承接上華公司來料加工業(yè)務(wù)。
1998年1月18日,“九0八” 主體工程華晶項目通過對外合同驗收,這條從朗訊科技公司引進(jìn)的0.9微米的生產(chǎn)線已經(jīng)具備了月投6000片6英寸圓片的生產(chǎn)能力。
1998年1月,中國華大集成電路設(shè)計中心向國內(nèi)外用戶推出了熊貓2000系統(tǒng),這是我國自主開發(fā)的一套EDA系統(tǒng),可以滿足亞微米和深亞微米工藝需要,可處理規(guī)模達(dá)百萬門級,支持高層次設(shè)計。
1998年2月,韶光與群立在長沙簽訂LSI合資項目,投資額達(dá)2.4億元,合資建設(shè)大規(guī)模集成電路(LSI)微封裝,將形成封裝、測試集成電路5200萬塊的生產(chǎn)能力。
1998年2月28日,我國第一條8英寸硅單晶拋光片生產(chǎn)線建成投產(chǎn),這個項目是在北京有色金屬研究總院半導(dǎo)體材料國家工程研究中心進(jìn)行的。
1998年3月16日,北京華虹集成電路設(shè)計有限責(zé)任公司與日本NEC株式會社在北京長城-飯店舉行北京華虹NEC集成電路設(shè)計公司合資合同簽字儀式,新成立的合資公司其設(shè)計能力為每年約200個集成電路品種,并為華虹NEC生產(chǎn)線每年提供8英寸硅片兩萬片的加工訂單。
1998年4月,集成電路“九0八”工程九個產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)中心項目驗收授牌,這九個設(shè)計中心為信息產(chǎn)業(yè)部電子第十五研究所、信息產(chǎn)業(yè)部電子第五下四研究所、上海集成電路設(shè)計公司、深圳先科設(shè)計中心、杭州東方設(shè)計中心、廣東專用電路設(shè)計中心、兵器第二一四研究所、北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所和航天工業(yè)771研究所。這些設(shè)計中心是與華晶六英寸生產(chǎn)線項目配套建設(shè)的。
1998年6月,上海華虹NEC九0九二期工程啟動。
1998年6月12日,深港超大規(guī)模集成電路項目一期工程――后工序生產(chǎn)線及設(shè)計中心在深圳賽意法微電子有限公司正式投產(chǎn),其集成電路封裝測試的年生產(chǎn)能力由原設(shè)計的3.18億塊提高到目前的7.3億塊,并將擴(kuò)展的10億塊的水平。
1998年10月,華越集成電路引進(jìn)的日本富士通設(shè)備和技術(shù)的生產(chǎn)線開始驗收試制投 片,-該生產(chǎn)線以雙極工藝為主、兼顧Bi-CMOS工藝、2微米技術(shù)水平、年投5英寸硅片15萬片、年產(chǎn)各類集成電路芯片1億只能力的前道工序生產(chǎn)線及動力配套系統(tǒng)。
1998年3月,由西安交通大學(xué)開元集團(tuán)微電子科技有限公司自行設(shè)計開發(fā)的我國第一個-CMOS微型彩色攝像芯片開發(fā)成功,我國視覺芯片設(shè)計開發(fā)工作取得的一項可喜的成績。
1999年2月23日,上海華虹NEC電子有限公司建成試投片,工藝技術(shù)檔次從計劃中的0.5微米提升到了0.35微米,主導(dǎo)產(chǎn)品64M同步動態(tài)存儲器(S-DRAM)。這條生產(chǎn)線的建-成投產(chǎn)標(biāo)志著我國從此有了自己的深亞微米超大規(guī)模集成電路芯片生產(chǎn)線。
中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史
◎分立器件發(fā)展階段(1956--1965)
。保梗担赌曛袊岢觥跋蚩茖W(xué)進(jìn)軍”,國家制訂了發(fā)展各門尖端科學(xué)的“十二年科學(xué)技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃”,明確了目標(biāo)。根據(jù)國外發(fā)展電子器件的進(jìn)程,提出了中國也要研究發(fā)展半導(dǎo)體科學(xué),把半導(dǎo)體技術(shù)列為國家四大緊急措施之一。從半導(dǎo)體材料開始,自力更生研究半導(dǎo)體器件。為了落實發(fā)展半導(dǎo)體規(guī)劃,中國科學(xué)院應(yīng)用物理所首先舉行了半導(dǎo)體器件短期訓(xùn)練班。請回國的半導(dǎo)體專家內(nèi)昆、吳錫九、黃敞、林蘭英、王守武、成眾志等講授半導(dǎo)體理論、晶體管制技術(shù)和半導(dǎo)體線路。參加短訓(xùn)班的約100多人。
當(dāng)時國家決定由五所大學(xué)-北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、吉林大學(xué)、廈門大學(xué)和南京大學(xué)聯(lián)合在北京大學(xué)半導(dǎo)體物理專來,共同培養(yǎng)第一批半導(dǎo)體人才。五校中最出名的教授有北京大學(xué)的黃昆、復(fù)旦大學(xué)的謝希德和吉林大學(xué)的高鼎三。1957年就有一批畢業(yè)生,其中有現(xiàn)在成為中國科學(xué)院院士的王陽元(北京大學(xué))、工程院院士的許居衍(華晶集團(tuán)公司)和電子工業(yè)部總工程師俞忠鈺等人。之后,清華大學(xué)等一批工科大學(xué)也先后設(shè)置了半導(dǎo)體專業(yè)。
中國半導(dǎo)體材料從鍺(Ge)開始。通過提煉煤灰制備了鍺材料。1957年北京電子管廠通過還原氧化鍺,拉出了鍺單晶。中國科學(xué)院應(yīng)用物理研究所和二機(jī)部十局第十一研究所開發(fā)鍺晶體管。前者由王守武任半導(dǎo)體實驗室主任,后者由武爾楨負(fù)責(zé)。1957可國依靠自己的技術(shù)開發(fā),相繼研制出鍺點接觸二極管和三極管(即晶體管)。 為了加強半導(dǎo)體的研究,中國科學(xué)院于1960年在北京建立了半導(dǎo)體研究所,同年在河北省石家莊建立了工業(yè)性專業(yè)研究所-第十三研究所,即現(xiàn)在的河北半導(dǎo)體研究所。到六十年代初,中國半導(dǎo)體器件開始在工廠生產(chǎn)。此時,國內(nèi)搞半導(dǎo)體器件的已有十幾個廠點。當(dāng)時北方以北京電子管廠為代表,生產(chǎn)了II-6低頻合金管和II401高頻合金擴(kuò)散管;南方以上海元件五廠為代表。
在鍺之后,很快也研究出其他半導(dǎo)體材料。1959年天津拉制了硅(Si)單晶!。保梗叮材暧纸又屏松榛墸ǎ牵幔粒螅﹩尉,后來也研究開發(fā)了其他種化合物半導(dǎo)體。
硅器件開始搞的是合金管。1962年研究成外延工藝,并開始研究采用照相制版、光刻工藝,河北半導(dǎo)體研究所在1963年搞出了硅平面型晶體管,1964年搞出了硅外延平面型晶體管。在平面管之前不久,也搞過錯和硅的臺面擴(kuò)散管,但一旦平面管研制出來后,絕大部分器件采用平面結(jié)構(gòu),因為它更適合于批量生產(chǎn)。
當(dāng)時接制的單晶棒的直徑很小,也不規(guī)則。一般將硅片切成方片的形狀,如7*7、 10*10、15*15mm2。后來單晶直徑拉大些后,就開始采用不規(guī)則的圓片,但直徑一般在35-40mm之間。
在半導(dǎo)體器件批量生產(chǎn)之后,六十年代主要用來生產(chǎn)晶體管收音機(jī),電子管收音機(jī)在體積上大為縮小,重量大為減輕。一般老百姓把晶體管收音機(jī)俗稱為“半導(dǎo)體”。它在六十年代成為普通居民所要購買的“四大件”之一。(其他三大件為縫紉機(jī)、自行車和手表)另一方面,新品開發(fā)主要研究方向是硅高頻大功率管,目的是要把部隊所用的采用電子管的“八一”電臺換裝為采用晶體管的“小八一”電臺,它曾是河北半導(dǎo)體所和北京電子管廠當(dāng)年的主攻任務(wù)。
除了收訊放大管之外,之后也開發(fā)了開關(guān)管。中國科學(xué)院在半導(dǎo)體所之外建立了一所實驗工廠,取名109廠。(后改建為微電子中心)它所生產(chǎn)的開關(guān)管,供中國科學(xué)院計算研究所研制成第二代計算機(jī)。隨后在北京有線電廠等工廠批量生產(chǎn)了DJS-121型鍺晶體管計算機(jī),速度達(dá)到1萬次以上。后來還研制出速度更快的108機(jī),以及速度達(dá)28萬次、容量更大的DJS-320型中型計算機(jī),該機(jī)采用硅開關(guān)管。
總之,向科學(xué)進(jìn)軍的號如下,中國的知識分子、技術(shù)人員在外界封鎖的環(huán)境下,在海外回國的一批半導(dǎo)體學(xué)者帶領(lǐng)下,憑藉知識和實驗室發(fā)展到實驗性工廠和生產(chǎn)性工廠,開始建立起自己的半導(dǎo)體行業(yè)。這期間蘇聯(lián)曾派過半導(dǎo)體專家來指導(dǎo),但很快因中蘇關(guān)系惡化而撤走了。這一發(fā)展分立器件的階段歷時十年,與國外差距為十年。
◎IC初始發(fā)展階段(1965-1980年)
在有了硅平面工藝之后,中國半導(dǎo)體界也跟隨世界半導(dǎo)體開始研究半導(dǎo)體集成電路,當(dāng)時稱為固體電路。國際上是在1958年由美國的得克薩斯儀器公司(TI)和仙蘭公司各自分別發(fā)明了半導(dǎo)體集成電路。當(dāng)初研制的是采用RTL(電阻一晶體管邏輯)型式的最基本的門電路,將單個的分立器件:電阻和晶體管,在同一個硅片上集合而成一個電路,故稱之為“集成電路”(Integrated Circrrit,簡稱IC)。中國第一塊半導(dǎo)體集成電路究竟是由哪一個單位首先研制成功的?這一問題有過爭議。在相差不遠(yuǎn)的時間里,有中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,河北半導(dǎo)體研究所,它在1965年12月份召開的產(chǎn)品鑒定會上鑒定了一批半導(dǎo)體管,并在國內(nèi)首先鑒定了DTL型(二極管-晶體管邏輯)數(shù)字邏輯電路。這是十室提交鑒定的,當(dāng)時采用的還不是國外普遍使用的P-N結(jié)隔離,而是僅在國外文獻(xiàn)中有所報導(dǎo)的Sio2介質(zhì)隔離,通過反外延方法制備基片。 在研究單位之后,工廠在生產(chǎn)平面管的基礎(chǔ)上也開始研制集成電路。北方為北京電子管廠,也采用介質(zhì)隔離研制成DTL數(shù)字電路,南方為上海元件五廠,在華東計算機(jī)所的合作下,研制出采用P-N結(jié)隔離的TTL型(晶體管-晶體管邏輯)數(shù)字電路,并在1966年底,在工廠范圍內(nèi)首家召開了產(chǎn)品鑒定會鑒定了TTL電路。
。模裕毯停裕裕潭际请p極型數(shù)字集成電路,主要是邏輯計算電路,以基本的與非門為基礎(chǔ),當(dāng)時都是小規(guī)模集成電路,還有與非驅(qū)動器、與門、或非門、或門、以及與或非電路等。主要用途是用于電子計算機(jī)。中國第一臺第三代計算機(jī)是由位于北京的華北計算技術(shù)研究所研制成功的,采用DTL型數(shù)字電路,與非門是由北京電子管廠生產(chǎn),與非驅(qū)動器是由河北半導(dǎo)體研究所生產(chǎn),展出年代是1968年。 為了加速發(fā)展半導(dǎo)體集成電路,四機(jī)部(后來改名為電子工業(yè)部)決定籌建第一個專門從事半導(dǎo)體集成電路的專業(yè)化工廠,由北京電子管廠抽一部分技術(shù)力量,在1968年建立了國營東光電工廠(代號:878廠),當(dāng)時正處于動亂的十年“文革”初期,國家領(lǐng)導(dǎo)號召建設(shè)大三線,四機(jī)部新建工廠,采用“8”字頭的都是在內(nèi)地大三線,唯獨878廠,為了加快建成專業(yè)化集成電路生產(chǎn)廠,破例地建在首都北京。與此同時,上海儀表局也將上海元件五廠生產(chǎn)TTL數(shù)字電路的五車間搬遷到近郊,建設(shè)了上海無線電十九廠(簡稱上無十九廠)。到1970年兩廠均已建成投產(chǎn)。從此,七十年代形成了中國IC行業(yè)的“兩霸”,南霸上無十九廠,北霸878廠。在國外實行對華封鎖的年代里,集成電路屬于高新技術(shù)產(chǎn)品,是禁止向中國出口的。因此,在封閉的自力更生、計劃經(jīng)濟(jì)年代里,這兩廠的IC一度成為每年召開兩次電子元器件訂貨會上最走俏的產(chǎn)品。當(dāng)時一塊J-K觸發(fā)器要想馬上拿到手,得要部長的親筆批條。在中國實行改革開放政策之前,IC在中國完全是賣方市場。七十年代上半期,一個工廠的IC年產(chǎn)量,只有幾十萬塊,到七十年代末期,上無十九廠年產(chǎn)量才實破500萬塊,位居全國第一。 文化大革命開始后,陳伯達(dá)向毛澤東主席提出了“電子中心論”。一時間采用群眾運動的方式“全民”大搞半導(dǎo)體.為了打破尖端迷信,報上宣傳說城市里了道老太太在弄堂里拉一臺擴(kuò)散爐,也能做出半導(dǎo)體.批判878廠建廠時鋪了水磨石地板為“大,洋,全”。這股風(fēng)使工廠里不重視產(chǎn)品質(zhì)量,這曾導(dǎo)致878廠為北京大學(xué)電子儀器廠生產(chǎn)TTL和 。樱裕裕蹋ㄐぬ鼗䴓O管鉗位的TTL)電路研制百萬次大型電子計算機(jī)“推倒重來”。最后質(zhì)量改進(jìn)后的電路才使北大在1975年研制成中國第一臺真正達(dá)到100萬次運算速度的大型電子計算機(jī)-150機(jī)。(在此之前,由上無十九廠生產(chǎn)的TTL電路,供華東計算所研制出達(dá)到80多萬次速度的大型計算機(jī),號稱“百萬次”。) 隨后,中國科學(xué)院109廠研制了ECL型(發(fā)射極藕合邏輯)電路,提供給中國科學(xué)院計算所,在1976年11月研制成功1000萬次大型電子計算機(jī)。
總之,在中國IC初始發(fā)展階段的十五年間,在開發(fā)集成電路方面,盡管國外實行對華封鎖,中國還是能夠依靠自己的技術(shù)力量,相繼研制并生產(chǎn)了DTL、TTL、 ECL各種類型的雙極型數(shù)字邏輯電路,支持了國內(nèi)計算機(jī)行業(yè),研制成百萬次、千萬次級的大型電子計算機(jī)。但這都是小規(guī)模集成電路。
在發(fā)展雙極型電路(Bipolar IC)之后,不久也開始研究MOS(金屬--氧化物一一半導(dǎo)體)電路(MOS。桑茫。 1968年研究出PMOS電路,這是上海無線電十四廠首家搞成的。到七十年代初期,永川半導(dǎo)體研究所,即24所,(它由石家莊13所十一室搬到四川水川擴(kuò)大而建的)上無十四廠和北京878廠相繼研制成NMOS電路。之后,又研制成CMOS電路。 在七十年代初期,由于受國外IC迅速發(fā)展和國內(nèi)“電子中心論”的影響,加上當(dāng)時IC的價格偏高(一塊與非門電路不變價曾哀達(dá)500元,利潤較大f銷售利潤率有的廠高達(dá)40%以上),而貨源又很緊張,因而造成各地IC廠點大量涌現(xiàn),曾經(jīng)形成過一股“IC熱”。不少省市自治區(qū),以及其他一些工業(yè)部門都興建了自己的IC工廠,造成--哄而起的局面。 在這期間,全國建設(shè)了四十多家集成電路工廠。四機(jī)部直屬廠有749廠(永紅器材廠)、 871廠(天光集成電路廠)、 878廠(東光電工廠)、 4433廠(風(fēng)光電工廠)和4435廠(韶光電工廠)等。各省市所建廠中有名的有:上海元件五廠、上無七廠、上無十四廠、上無十九廠、蘇州半導(dǎo)體廠、常州半導(dǎo)體廠、北京市半導(dǎo)體器件二廠、三廠、五廠、六廠、天津半導(dǎo)體(一)廠、航天部西安691廠等等。 集成電路一經(jīng)出現(xiàn),隨著設(shè)備和工藝的不斷發(fā)展,集成度迅速提高。從小規(guī)模集成 。ǎ樱樱桑,經(jīng)過中規(guī)模集成(MSL),很快發(fā)展到大規(guī)模集成(LSI),這在美國用8年時間。而中國在初始發(fā)展階段中出僅用7年時間走完這段路,與國外差距還不是很大。
。保梗罚材曛袊谝粔KPMOS型LST電路在四川永川半導(dǎo)體研究所研制成功,為了加速發(fā)展LSI,中國接連召開了三次全國性會議,第一次1974年在北京召開,第二次 。保梗罚的暝谏虾U匍_;第三次1977年在大三線貴州省召開。 為了提高工藝設(shè)備的技術(shù)水平,并了解國外IC發(fā)展的狀況,在1973年中日邦交恢復(fù)一周年之際,中國組織了由14人參加的電子工業(yè)考察團(tuán)赴日本考察IC產(chǎn)業(yè),參觀了日本當(dāng)時八大IC公司:日立、NEC、東芝、三菱、富士通、三洋、沖電氣和夏普,以及不少設(shè)備制造廠。原先想與NEC談成全線引進(jìn),因政治和資金原因沒有成勻丟失了一次機(jī)迂。后來改為由七個單位從國外購買單位臺設(shè)備,期望建成七條工藝線。最后成線的只有北京878廠,航天部陜西驪山771所和貴州都勻4433廠。 這一階段15年,從研制小規(guī)模到大規(guī)模電路,在技術(shù)上中國都依靠自己的力量,只是從國外進(jìn)口了一些水平較低的工藝設(shè)備,與國外差距逐漸加大。在這期間美國和日本已先后進(jìn)入IC規(guī)模生產(chǎn)的階段。
自從有人類以來,已經(jīng)過了上百萬年的歲月。社會的進(jìn)步可以用當(dāng)時人類使用的器物來代表,從遠(yuǎn)古的石器時代、到銅器,再進(jìn)步到鐵器時代。現(xiàn)今,以矽為原料的電子元件產(chǎn)值,則超過了以鋼為原料的產(chǎn)值,人類的歷史因而正式進(jìn)入了一個新的時代,也就是矽的時代。矽所代表的正是半導(dǎo)體元件,包括記憶元件、微處理機(jī)、邏輯元件、光電元件與偵測器等等在內(nèi),舉凡電視、電話、電腦、電冰箱、汽車,這些半導(dǎo)體元件無時無刻都在為我們服務(wù)。
矽是地殼中最常見的元素,許多石頭的主要成分都是二氧化矽,然而,經(jīng)過數(shù)百道製程做出的積體電路,其價值可達(dá)上萬美金;把石頭變成矽晶片的過程是一項點石成金的成就,也是近代科學(xué)的奇蹟!
在日本,有人把半導(dǎo)體比喻為工業(yè)社會的稻米,是近代社會一日不可或缺的。在國防上,惟有紮實的電子工業(yè)基礎(chǔ),才有強大的國防能力,1991年的波斯灣戰(zhàn)爭中,美國已經(jīng)把新一代電子武器發(fā)揮得淋漓盡致。從1970年代以來,美國與日本間發(fā)生多次貿(mào)易摩擦,但最後在許多項目美國都妥協(xié)了,但是為了半導(dǎo)體,雙方均不肯輕易讓步,最後兩國政府慎重其事地簽訂了協(xié)議,足證對此事的重視程度,這是因為半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的成敗,關(guān)係著國家的命脈,不可不慎。在臺灣,半導(dǎo)體工業(yè)是新竹科學(xué)園區(qū)的主要支柱,半導(dǎo)體公司也是最賺錢的企業(yè),臺灣如果要成為明日的科技矽島,半導(dǎo)體工業(yè)是我們必經(jīng)的途徑。
在二十世紀(jì)的近代科學(xué),特別是量子力學(xué)發(fā)展知道金屬材料擁有良好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱特性,而陶瓷材料則否,性質(zhì)出來之前,人們對於四周物體的認(rèn)識仍然屬於較為巨觀的瞭解,那時已經(jīng)介於這兩者之間的,就是半導(dǎo)體材料。
英國科學(xué)家法拉第(Michael Faraday, 1791~1867),在電磁學(xué)方面擁有許多貢獻(xiàn),但較不為人所知的,則是他在1833年發(fā)現(xiàn)的其中一種半導(dǎo)體材料:硫化銀,因為它的電阻隨著溫度上升而降低,當(dāng)時只覺得這件事有些奇特,並沒有激起太大的火花;然而,今天我們已經(jīng)知道,隨著溫度的提升,晶格震動越厲害,使得電阻增加,但對半導(dǎo)體而言,溫度上升使自由載子的濃度增加,反而有助於導(dǎo)電,這也是半導(dǎo)體一個非常重要的物理性質(zhì)。
1874年,德國的布勞恩(Ferdinand Braun,1850~1918),注意到硫化物的電導(dǎo)率與所加電壓的方向有關(guān),這就是半導(dǎo)體的整流作用。但直到1906年,美國電機(jī)發(fā)明家匹卡(G. W. Pickard,1877~1956),才發(fā)明了第一個固態(tài)電子元件:無線電波偵測器(cat’s whisker),它使用金屬與矽或硫化鉛相接觸所產(chǎn)生的整流功能,來偵測無線電波。在整流理論方面,德國的蕭特基(Walter Schottky,1886~1976)在1939年,於「德國物理學(xué)報」發(fā)表了一篇有關(guān)整流理論的重要論文,做了許多推論,他認(rèn)為金屬與半導(dǎo)體間有能障(potential barrier)的存在,其主要貢獻(xiàn)就在於精確計算出這個能障的形狀與寬度。至於現(xiàn)在為大家所接受的整流理論,則是1942年,由索末菲(Arnold Sommerfeld, 1868~1951)的學(xué)生貝特(Hans Bethe,1906~ )所發(fā)展出來,他提出的就是熱電子發(fā)射理論(thermionic emission),這些具有較高能量的電子,可越過能障到達(dá)另一邊,其理論也與實驗結(jié)果較為符合。
在半導(dǎo)體領(lǐng)域中,與整流理論同等重要的,就是能帶理論。布洛赫(Felix Bloch,1905~1983)在這方面做出了重要的貢獻(xiàn),其定理是將電子波函數(shù)加上了週期性的項,首開能帶理論的先河。另一方面,德國人佩爾斯(Rudolf Peierls, 1907~ ) 於1929年,則指出一個幾乎完全填滿的能帶,其電特性可以用一些帶正電的電荷來解釋,這就是電洞概念的濫觴;他後來提出的微擾理論,解釋了能隙(Energy gap)存在。
早在1930與1940年代,使用半導(dǎo)體製作固態(tài)放大器的想法就持續(xù)不絕;第一個有實驗結(jié)果的放大器是1938年,由波歐(Robert Pohl, 1884~1976)與赫希(Rudolf Hilsch)所做的,使用的是溴化鉀晶體與鎢絲做成的閘極,儘管其操作頻率只有一赫茲,並無實際用途,卻證明了類似真空管的固態(tài)三端子元件的實用性。
二次大戰(zhàn)後,美國的貝爾實驗室(Bell Lab),決定要進(jìn)行一個半導(dǎo)體方面的計畫,目標(biāo)自然是想做出固態(tài)放大器,它們在1945年7月,成立了固態(tài)物理的研究部門,經(jīng)理正是蕭克萊(William Shockley, 1910~1989)與摩根(Stanley Morgan)。由於使用場效應(yīng)(field effect)來改變電導(dǎo)的許多實驗都失敗了,巴丁(John Bardeen,1908~1991)推定是因為半導(dǎo)體具有表面態(tài)(surface state)的關(guān)係,為了避開表面態(tài)的問題,1947年11月17日,巴丁與布萊登(Walter Brattain 1902~1987)在矽表面滴上水滴,用塗了蠟的鎢絲與矽接觸,再加上一伏特的電壓,發(fā)現(xiàn)流經(jīng)接點的電流增加了!但若想得到足夠的功率放大,相鄰兩接觸點的距離要接近到千分之二英吋以下。12月16日,布萊登用一塊三角形塑膠,在塑膠角上貼上金箔,然後用刀片切開一條細(xì)縫,形成了兩個距離很近的電極,其中,加正電壓的稱為射極 (emitter),負(fù)電壓的稱為集極 (collector),塑膠下方接觸的鍺晶體就是基極 (base),構(gòu)成第一個點接觸電晶體 (point contact transistor),1947年12月23日,他們更進(jìn)一步使用點接觸電晶體製作出一個語音放大器,該日因而成為電晶體正式發(fā)明的重大日子。
另一方面,就在點接觸電晶體發(fā)明整整一個月後,蕭克萊想到使用p-n接面來製作接面電晶體 (junction transistor) 的方法,在蕭克萊的構(gòu)想中,使用半導(dǎo)體兩邊的n型層來取代點接觸電晶體的金屬針,藉由調(diào)節(jié)中間p型層的電壓,就能調(diào)控電子或電洞的流動,這是一種進(jìn)步很多的電晶體,也稱為雙極型電晶體 (bipolar transistor),但以當(dāng)時的技術(shù),還無法實際製作出來。
電晶體的確是由於科學(xué)發(fā)明而創(chuàng)造出來的一個新元件,但是工業(yè)界在1950年代為了生產(chǎn)電晶體,卻碰到許多困難。1951年,西方電器公司(Western Electric)開始生產(chǎn)商用的鍺接點電晶體,1952年4月,西方電器、雷神(Raytheon)、美國無線電(RCA) 與奇異(GE)等公司,則生產(chǎn)出商用的雙極型電晶體。但直到1954年5月,第一顆以矽做成的電晶體才由美國德州儀器公司(Texas Instruments)開發(fā)成功;約在同時,利用氣體擴(kuò)散來把雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體的技術(shù)也由貝爾實驗室與奇異公司研發(fā)出來;在1957年底,各界已製造出六百種以上不同形式的電晶體,使用於包括無線電、收音機(jī)、電子計算機(jī)甚至助聽器等等電子產(chǎn)品。
早期製造出來的電晶體均屬於高臺式的結(jié)構(gòu)。1958年,快捷半導(dǎo)體公司 (Fairchild Semiconductor)發(fā)展出平面工藝技術(shù)(planar technology),藉著氧化、黃光微影、蝕刻、金屬蒸鍍等技巧,可以很容易地在矽晶片的同一面製作半導(dǎo)體元件。1960年,磊晶(epitaxy)技術(shù)也由貝爾實驗室發(fā)展出來了。至此,半導(dǎo)體工業(yè)獲得了可以批次(batch)生產(chǎn)的能力,終於站穩(wěn)腳步,開始快速成長。
積體電路就是把許多分立元件製作在同一個半導(dǎo)體晶片上所形成的電路,早在1952年,英國的杜默 (Geoffrey W. A. Dummer) 就提出積體電路的構(gòu)想。1958年9月12日,德州儀器公司(Texas Instruments)的基爾比 (Jack Kilby, 1923~ ),細(xì)心地切了一塊鍺作為電阻,再用一塊pn接面做為電容,製造出一個震盪器的電路,並在1964年獲得專利,首度證明了可以在同一塊半導(dǎo)體晶片上能包含不同的元件。1964年,快捷半導(dǎo)體(Fairchild Semiconductor)的諾宜斯(Robert Noyce,1927~1990),則使用平面工藝方法,即藉著蒸鍍金屬、微影、蝕刻等方式,解決了積體電路中,不同元件間導(dǎo)線連結(jié)的問題。
積體電路的第一個商品是助聽器,發(fā)表於1963年12月,當(dāng)時用的仍是雙極型電晶體;1970年,通用微電子(General Microelectronics)與通用儀器公司 (General Instruments),解決了矽與二氧化矽界面間大量表面態(tài)的問題,開發(fā)出金氧半電晶體 (metal-oxide-semiconductor, MOS);因為金氧半電晶體比起雙極型電晶體,功率較低、集積度高,製程也比較簡單,因而成為後來大型積體電路的基本元件。
60年代發(fā)展出來的平面工藝,可以把越來越多的金氧半元件放在一塊矽晶片上,從1960年的不到十個元件,倍數(shù)成長到1980年的十萬個,以及1990年約一千萬個,這個每年加倍的現(xiàn)象稱為莫爾定律 (Moore’s law),是莫爾(Gordon Moore)在1964年的一次演講中提出的,後來竟成了事實。
在1970年代,決定半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展方向的,有兩個最重要的因素,那就是半導(dǎo)體記憶體 (semiconductor memory) 與微處理機(jī) (micro processor)。在微處理機(jī)方面,1968年,諾宜斯和莫爾成立了英代爾 (Intel) 公司,不久,葛洛夫 (Andrew Grove) 也加入了,1969年,一個日本計算機(jī)公司比吉康 (Busicom) 和英代爾接觸,希望英代爾生產(chǎn)一系列計算機(jī)晶片,但當(dāng)時任職於英代爾的霍夫 (Macian E. Hoff) 卻設(shè)計出一個單一可程式化晶片,1971年11月15日,世界上第一個微處理器4004誕生了,它包括一個四位元的平行加法器、十六個四位元的暫存器、一個儲存器 (accumulator) 與一個下推堆疊 (push-down stack),共計約二千三百個電晶體;4004與其他唯讀記憶體、移位暫存器與隨機(jī)存取記憶體,結(jié)合成MCS-4微電腦系統(tǒng);從此之後,各種集積度更高、功能更強的微處理器開始快速發(fā)展,對電子業(yè)產(chǎn)生巨大影響。三十年後的今天,英代爾的Pentium III已經(jīng)包含了一千萬個以上的電晶體。