第一章 半导体技术发展历史
第一节 晶体管之前的历史
在晶体管发明之前，最重要的电子元件是电子管，也叫“真空管”。
1.1爱迪生效应 (Edison effect)
1877年，爱迪生发明碳丝电灯，应用不久即出现了寿命太短的问题，这是因为碳丝难耐高温，使用不久即告“蒸发”，灯泡的寿命也就完结了。爱迪生设法改进这种电灯，1883年，他忽发奇想：在灯泡内另行封入一根铜线，也许可以阻止碳丝蒸发，延长灯泡寿命。
经过反复试验，碳丝依然蒸发如故，试验宣告失败，但他却从试验中发现了一个稀奇现象：碳丝加热后，铜线上竟有微弱的电流通过！铜线与碳丝并不相连，哪里来的电流？在当时，这是一件不可思议的事情，爱迪生敏感地意识到这是一项新的发现，把它记录在案，命名为“爱迪生效应”，并申报了一个在当时未找到任何实际用途的专利。
爱迪生效应装置
1.2 真空二极电子管
二十世纪初无线电报刚刚出现的时候，从发射台产生的高频无线电波，必须先经整流才能在收报台收到。而当时使用的是金属粉末检波器，它的结构复杂、功率很差，要进一步增大能信距离就非革新这个原始的检波器不可。
1885年，30岁的英国电气工程师弗莱明（J.Fleming）认为，“爱迪生效应”一定可以为热电子真空发射找到实际用途。
他在试验中发现，如果在真空灯泡里装上碳丝和铜板，分别充当阴极和屏极，则灯泡里的电子就能实现单向流动。经过反复试验，弗莱明于1904年研制出一种能够充当交流电
整流和无线电检波的装置，他把这种装置称为“热离子阀”，阀是开关的意思，并用这个名称申请了专利。这个装置正是世界上第一只电子管，也就是人们后来所说的真空二极电子管。
真空二极电子管当时主要作为检波器件，但是早期由于性能很不稳定，直到高真空电子管发明后，它才获得普遍应用。
1.3 真空三极电子管
1906年，为了提高真空二极电子管的检波灵敏度，德·福雷斯特(Lee De Forest)在二极管内添加了一个栅栏式的金属网，形成第三个极。这个“栅极”仿佛就像百叶窗那样，能控制阴极与屏极之间的电子流。只要栅极有微弱电流通过，就可在屏极上获得较大的电流，而且波形与栅极电流完全一致。德·福雷斯特为这“三个极”的真空管申请了专利，并宣告真空三极电子管具有放大作用。
由于早期的真空三极电子管真空度不高，效果一直不是很好。1912年，美国通用电气公司的化学家兰茂尔和美国电话电报公司的阿诺德，分别研制出高真空的三极电子管，使其放大倍数大幅度提高，工作性能更加稳定。从此，电子管进入了实用阶段。
真空三极电子管的发明和应用是电子技术史上划时代的大事，它为通讯、广播、电视、计算机等技术的发展铺平了道路。
1.4 第一台电子管计算机
1940年代初，美国陆军部为了二战的需要，开始研发一种新型大威力火炮，设在马里兰州的阿伯丁“弹道研究实验室”，每天为大量繁琐的弹道轨迹数据计算，伤透了脑筋，陆军部希望能有一种快速计算设备来解决大批量数据的计算问题。
1942年８月，宾夕法尼亚大学莫尔学院的约翰·莫奇利(John W. Mauchly)教授建议用电子管为基本元件，来制造高速运算的计算机，陆军部考察这个计划后，给予了财力支持，1943年，莫奇利和年仅２４岁的硕士研究生埃克特(J. Prespen Eckert)组织了一个研究小组，全力投入研制，并为这台计算机起名为“电子数值和积分计算器”，简称“ENIAC”（埃尼克）。
“ENIAC”（埃尼克）于1945年底完成研制，它使用了17,468只电子管，70,000只电阻，10,000只电容，占地167平方米，重量达30吨，耗电160千瓦，是一个名副其实的“庞然大物”。其运算速度比当时最好的机电式计算机快1000倍，每秒可进行5000次加法运算、357次乘法或38次除法运算。
“ENIAC”的诞生，是计算机发展史上的一个里程碑，标志着电子计算机时代的到来。
1.5 最初晶体管的构思
Julius Edgar Lilienfeld 李利费尔德(1882-1963)：德国人，曾在University of Leipzig任教，后由于德国日益增长的迫害犹太人的形式而移居美国，是公司的电容工程师。他于1925年第一个提出了场效应晶体管的概念并于1930年获得专利。
1935年, Oskar Heil描述了一种类似于结型场效应晶体管的结构(O.Heil, British Patent 439,457,1935). 然而，由于材料的困难实际制备晶体管在1960年以前是不可能的。
Shockley最初的场效应晶体管的专利申请被完全驳回；Bardeen的点接触晶体管的专利也为有Lilienfeld的专利在前，而有超过半数的人认为不能通过。
第二节 晶体管的发明
2.1 晶体管发明的历史
半导体器件是二十世纪四十年代发展起来的，特别是1947年晶体管（ “Transistor” is short for “Transfer Resistor” ）的发明，对电子技术的发展起到了决定性的作用。
1945年，Bell Labs建立了一个研究小组探索利用半导体替代真空管。该小组由William Shockley领导，成员包括John Bardeen、Walter Brattain等人。1947年Bardeen和Brattain成功使用一个电接触型的“可变电阻”-即今天被称为三极管“Transistor”的器件得到放大倍数为100的放大电路，稍后还演示了振荡器。1948年，Bardeen和Brattain提交了一份专利申请并在1950年被授予Bell Labs - 这就是美国专利US2,524,035, "Three Electrode Circuit Element Utilizing Semiconductive Materials".
点接触型晶体管制造工艺复杂，存在噪声大、在功率大时难于控制、适用范围窄等缺点。为了克服这些缺点，肖克莱于1949年提出用一种“整流结”来代替“触点”的大胆设想，1950年贝尔实验室M·斯帕克斯和G·L·皮尔逊研制出了第一只结型晶体管。
1956年诺贝尔物理学奖授予肖克莱（William Shockley，1910—1989）、巴丁（John Bardeen，1908—1991）、缪勒海尔（Murray Hill）和布拉顿（Walter Brattain，1902—1987），以表彰他们在1947年12月23日第一个对半导体的研究和NPN点接触式Ge晶体管效应的发现。Bardeen提出了表面态理论， Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验。
Bardeen是唯一一个两获诺贝尔奖的物理学家。
2.2 晶体管的优点
晶体管相对于电子管而言，具有电子管不可比拟的优越性：
1、晶体管的寿命一般比电子管长 100倍以上，电子管容易老化。
2、晶体管质量稳定，耐冲击、耐振动，电子管易碎。
3、晶体管消耗电子极少，不需预热，电子管工作前需要预热，加热灯丝以产生自由电子，所以晶体管收音机一开机就响，电子管收音机开机后，得等一会儿才听得到声音。
4、晶体管功耗低，一台晶体管收音机只要几节干电池就可以听半年以上，这对电子管收音机来说，是难以做到的。
5、晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度，且体积只有电子管的十分之一到百分之一，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。
正因为晶体管的性能如此优越，晶体管诞生之后，便被广泛地应用于工农业生产、国防建设以及人们日常生活中。1953年，首批电池式的晶体管收音机投放市场，引起了一个消费热潮。
第三节 集成电路的发明
随后在半导体器件的基础上发展起来的集成电路，使电子技术进入了一个新的里程碑。集成电路的不断发展，从小规模集成电路到中规模、大规模集成电路，以及发展到超大规模
集成电路。可以把过去一台仪器所包括的电子电路集成到一块芯片之中。
什么是集成电路？
Integrated Circuit，缩写IC
通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。
3.1 集成电路发明的背景
晶体管的发明使电子设备体积缩小，耗电减少，可靠性提高。然而随着电子工业的迅速发展，晶体管依然满足不了需求，以计算机为例，IBM公司1957年推出了608计算机，是世界上第一个投入商用的晶体管计算机，里面使用了3000个锗晶体管，重量达2400磅（约1090kg）。显然，这个计算机还是太重了。
为了克服晶体管的这些弱点，科学家们想尽办法使晶体管的体积变小，与之配套的电阻、电容、线圈、继电器、开关等元件，也沿着小型化的思路被压缩成微型电子元件，晶体管最小的已达到只有小米粒一样大小。然而，晶体管本身的小型化不是无限的，它达到一定程度后就很难再缩小了。
随着科技的不断发展，人们对电子元器件提出了更高的要求，需要更加小型化、功能完善的电子设备，这样集成电路就应运而生了。
3.2 集成电路的发明
1952年5月7日，英国的雷达科学家Geoffrey W.A. Dummer在华盛顿特区提出了集成电路的概念，即文章"Solid block [with] layers of insulating materials". 1956年的尝试以失败结束，但是作为提出IC概念的先驱，Dummer是IC史册不可缺的一页。
1956年，美国材料科学专家富勒和赖斯发明了半导体生产的扩散工艺，这样就为发明集成电路提供了工艺技术的基础。
1958年8月28日以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(Clair Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果。
平面技术（Planar technology）问世
Kilby的发明存在严重的缺陷：电路的元件依赖于金丝连接，这种连线上的困难阻碍了该技术用于大规模电路的可能。直到1958年后期仙童（Fairchild）公司瑞士出生的物理学家Jean Hoerni开发出一种在硅上制造PN结的结构，并在结上覆盖了一层薄的硅氧化层作绝缘层，在硅二极管上蚀刻小孔用于连接PN结。Sprague Electric捷克出生的物理学家Kurt Lehovec开发出使用PN结隔离元件的技术，这个问题才得以解决：1959年，也是仙童公司雇员的Robert Noyce产生了组合Hoerni's and Lehovec's工艺并通过在电路上方蒸镀薄金属层连接电路元件来制造集成电路的想法。平面工艺开始了复杂集成电路时代并沿用到今天。
罗伯特·诺伊斯（Robort Noyce）：集成电路的发明者，Intel的创始人之一
基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”,而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。
杰克·基尔比、赫伯特·克勒默和泽罗斯·阿尔费罗夫一起获得2000年Nobel物理奖，以表彰他们为现代信息技术的所作出的基础性贡献，特别是他们发明的IC、激光二极管和异质晶体管 。
3.3集成电路的优势
集成电路与分立元器件电路相比，主要有以下几个方面的优点：
（1）体积小、重量轻、功耗降低。一小块集成电路上可以集成大量的元器件，是一个独立的功能完善的电子系统。
（2）可以集成大量元器件，并可以批量生产，其成本大大降低。
（3）元器件集成在一块芯片上，因此焊接点大大减少，电路可靠性大大提高。
1962年1月，美国IBM公司开始采用双极型集成电路研制IBM360系列计算机。1964年4月7日，IBM公司在14个国家，全美63个城市同时宣告，世界上第一个采用集成电路的通用计算机IBM 360系统研制成功，该系列有大、中、小型计算机，共6个型号，它兼顾了科学计算和事务处理两方面的应用。该系列各种机器全都相互兼容，适用于各方面的用户，具有全方位的特点，正如罗盘有360度刻度一样，所以取名为360。它的研制开发经费高达50亿美元，是研制第一颗原子弹的曼哈顿计划的2.5倍。
IBM 360系列计算机是最早使用集成电路的通用计算机系列，它开创了民用计算机使用集成电路的先例，计算机从此进入了集成电路时代。与第二代计算机（晶体管计算机）相比，它体积更小、价格更低、可靠性更高、计算速度更快。IBM 360成为第三代计算机（集成电路计算机）的里程碑。
3.4摩尔定律
1965年，仙童公司的创始人戈登.摩尔根据1958年以来集成电路的发展，预测每两年同样硅片面积上的晶体管数目翻一番，原来他又把时间周期调整为18个月。这一预测在后来几十年历史中基本得到验证，被信息领域广泛引用为“摩尔定律”：一年半集成度增加一倍也就是每五年10倍，10年100倍。1965年一块集成电路含10个晶体管，70年是100个，80年约10000个，90年约100万个，2000年约1亿个晶体，真是每10年集成度提高100倍。
3.5 集成电路的发展历程
1947年12月16日：威廉·肖克莱(William Shockley)、约翰·巴顿(John Bardeen)和沃特·布拉顿(Walter Brattain)成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。
1950年：威廉·肖克莱开发出双极晶体管(Bipolar Junction Transistor)，这是现在通行的标准的晶体管。
1953年：第一个采用晶体管的商业化设备投入市场，即助听器。
1954年10月18日：第一台晶体管收音机Regency TR1投入市场，仅包含4只锗晶体管。
1961年4月25日：第一个集成电路专利被授予罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)。最初的晶体管对收音机和电话而言已经足够，但是新的电子设备要求规格更小的晶体管，即集成电路。
1965年：摩尔定律诞生。当时，戈登·摩尔(Gordon Moore)预测，未来一个芯片上的晶体管数量大约每年翻一倍(10年后修正为每两年)，摩尔定律在Electronics Magazine杂志一篇文章中公布。
1968年7月：罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔从仙童(Fairchild)半导体公司辞职，创立了一个新的企业，即英特尔公司，英文名Intel为“集成电子设备(integrated electronics)”的缩写。
1969年：英特尔成功开发出第一个PMOS硅栅晶体管技术。这些晶体管继续使用传统的二氧化硅栅介质，但是引入了新的多晶硅栅电极。
1971年：英特尔发布了其第一个微处理器4004。4004规格为1/8英寸 x 1/16英寸，包含仅2000多个晶体管，采用英特尔10微米PMOS技术生产。
1978年：英特尔标志性地把英特尔8088微处理器销售给IBM新的个人电脑事业部，武装了IBM新产品IBM PC的中枢大脑。16位8088处理器含有2.9万个晶体管，运行频率为5MHz、8MHz和10MHz。8088的成功推动英特尔进入了财富(Forture) 500强企业排名，《财富(Forture)》杂志将英特尔公司评为“七十大商业奇迹之一(Business Triumphs of the Seventies)”。
1982年：286微处理器(又称80286)推出，成为英特尔的第一个16位处理器，可运行为英特尔前一代产品所编写的所有软件。286处理器使用了13400个晶体管，运行频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。
1985年：英特尔386微处理器问世，含有27.5万个晶体管，是最初4004晶体管数量的100多倍。386是32位芯片，具备多任务处理能力，即它可在同一时间运行多个程序。 1993年：英特尔·奔腾·处理器问世，含有3百万个晶体管，采用英特尔0.8微米制程技术生产。
1999年2月：英特尔发布了奔腾·III处理器。奔腾III是1x1正方形硅，含有950万个晶体管，采用英特尔0.25微米制程技术生产。
2002年1月：英特尔奔腾4处理器推出，高性能桌面台式电脑由此可实现每秒钟22亿个周期运算。它采用英特尔0.13微米制程技术生产，含有5500万个晶体管。
2002年8月13日：英特尔透露了90纳米制程技术的若干技术突破，包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。
2003年3月12日：针对笔记本的英特尔·迅驰·移动技术平台诞生，包括了英特尔最新的移动处理器“英特尔奔腾M处理器”。该处理器基于全新的移动优化微体系架构，采用英特尔0.13微米制程技术生产，包含7700万个晶体管。
2005年5月26日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器”诞生，含有
2.3亿个晶体管，采用英特尔领先的90纳米制程技术生产。
2006年7月18日：英特尔“安腾”双核处理器发布，采用世界最复杂的产品设计，含有17.2亿个晶体管。该处理器采用英特尔90纳米制程技术生产。
2006年7月27日：英特尔·酷睿2双核处理器诞生。该处理器含有2.9亿多个晶体管，采用英特尔65纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生产。
2006年9月26日：英特尔宣布，超过15种45纳米制程产品正在开发，面向台式机、笔记本和企业级计算市场，研发代码Penryn，是从英特尔;酷睿微体系架构派生而出。
2007年1月8日：为扩大四核PC向主流买家的销售，英特尔发布了针对桌面电脑的65纳米制程英特尔·酷睿2四核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔·酷睿2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。
2007年1月29日：英特尔公布采用突破性的晶体管材料即高-k栅介质和金属栅极。英特尔将采用这些材料在公司下一代处理器——英特尔酷睿2双核、英特尔酷睿2四核处理器以及英特尔至强系列多核处理器的数以亿计的45纳米晶体管或微小开关中用来构建绝缘“墙”和开关“门”，研发代码Penryn。采用了这些先进的晶体管，已经生产出了英特尔45纳米微处理器。
第四节 微电子技术介绍
4.1 微电子技术的几个基本概念
微电子学（ Microelectronics）：
一门学科，一门研究集成电路设计、制造、测试、封装等全过程的学科
半导体（Semiconductor）：
内涵及外延均与微电子类似，是早期的叫法
集成电路IC（Integrate Circuit）：
一类元器件的统称，该类器件广泛应用于电子信息产业，几乎所有的电子产品均由集成电路装配而成
芯片(chip/die)：
没有封装的集成电路，但通常也与集成电路混用，作为集成电路的又一个名称 集成系统芯片SoC（System on a Chip）：
微电子学和集成电路技术发展的产物，指在单芯片上实现系统级的功能
4.2 微电子学的特点
微电子学：电子学的一门分支学科
a)微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。
－6-9 b)微电子学中的空间尺度通常是以微米(m, 1m＝10m)和纳米(nm, 1nm = 10m)为单位
的。微电子学是信息领域的重要基础学科.
c)微电子学是一门综合性很强的边缘学科,涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科
d)微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向
e)微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等
4．3 微电子的分类
a)按器件结构类型分类
双极(Bipolar)集成电路：主要由双极晶体管构成
只含NPN型晶体管的双极集成电路（数字电路）
含NPN型及PNP型晶体管的双极集成电路（模拟电路）
金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成
NMOS
PMOS
CMOS(互补MOS)
双极-MOS (Bi-MOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为Bi-MOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂.
b)规摸大小通常按集成度或每个芯片的门数来划分。
按集成电路规模分类
集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目
小规模集成电路(Small Scale IC，SSI)
中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI)
大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)
超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)
特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI)
巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）
4.4描述集成电路工艺技术水平的五个技术指标
1） 集成度（Integration Level）
以一个IC芯片所包含的元件(晶体管或门/数)来衡量，（包括有源和无源元件）。随着集成度的提高，使IC及使用IC的电子设备的功能增强、速度和可靠性提高、功耗降低、体积和重量减小、产品成本下降，从而提高了性能/价格比，不断扩大其应用领域，因此集成度是IC技术进步的标志。为了提高集成度采取了增大芯片面积、缩小器件特征尺寸、改进电路及结构设计等措施。为节省芯片面积普遍采用了多层布线结构，现已达到7层布线。晶片集成(Wafer Scale Integration-WSI)和三维集成技术也正在研究开发。自IC问世以来，集成度不断提高，现正迈向巨大规模集成(Giga Scale Integration-GSl)。从电子系统的角度来看，集成度的提高使IC进入系统集成或片上系统(SoC)的时代。
2） 特征尺寸 (Feature Size) / （Critical Dimension）
特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度)，也可定义为最小线条宽度与线条间距之和的一半。减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18μm、0.15 μm 、0.13μm工艺， Intel目前将大部分芯片生产制成转换到0.09 μm 。
Common IC Features
3） 晶片直径(Wafer Diameter)
为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8吋，正在向12吋晶圆迈进。
4）芯片面积(Chip Area)
随着集成度的提高，每芯片所包含的晶体管数不断增多，平均芯片面积也随之增大。芯片面积的增大也带来一系列新的问题。如大芯片封装技术、成品率以及由于每个大圆片所含芯片数减少而引起的生产效率降低等。但后一问题可通过增大晶片直径来解决。
5）封装(Package)
IC的封装最初采用插孔封装THP (through-hole package)形式。为适应电子设备高密度组装的要求，表面安装封装(SMP)技术迅速发展起来。在电子设备中使用SMP的优点是能节省空间、改进性能和降低成本，因SMP不仅体积小而且可安装在印制电路板的两面，使电路板的费用降低60％，并使性能得到改进。
1990s Microchip
1960s Transistor
U.S. coin, 10 cents第五节 世界集成电路产业结构的变化及其发展历程
自1958
年美国德克萨斯仪器公司
(TI)发明集成电路（IC）后，随着硅平面技术的发展，二十世纪六十年代先后发明了双极型和MOS型两种重要的集成电路，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和质的飞跃，创造了一个前所未有的具有极强渗透力和旺盛生命力的新兴产业集成电路产业。
回顾集成电路的发展历程，我们可以看到，自发明集成电路至今40多年以来，"从电路集成到系统集成"这句话是对IC产品从小规模集成电路（SSI）到今天特大规模集成电路
（ULSI）发展过程的最好总结，即整个集成电路产品的发展经历了从传统的板上系统
（System-on-board）到片上系统（System-on-a-chip）的过程。在这历史过程中，世界IC产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结构经历了三次变革。
第一次变革：以加工制造为主导的IC产业发展的初级阶段。
70年代，集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。这一时期IC制造商（IDM）在IC市场中充当主要角色，IC设计只作为附属部门而存在。这时的IC设计和半导体工艺密切相关。IC设计主要以人工为主，CAD系统仅作为数据处理和图形编程之用。IC产业仅处在以生产为导向的初级阶段。
第二次变革：Foundry公司与IC设计公司的崛起。
80年代，集成电路的主流产品为微处理器（MPU）、微控制器（MCU）及专用IC（ASIC）。这时，无生产线的IC设计公司（Fabless）与标准工艺加工线（Foundry）相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式。
随着微处理器和PC机的广泛应用和普及（特别是在通信、工业控制、消费电子等领域），IC产业已开始进入以客户为导向的阶段。一方面标准化功能的IC已难以满足整机客户对系统成本、可靠性等要求，同时整机客户则要求不断增加IC的集成度，提高保密性，减小芯片面积使系统的体积缩小，降低成本，提高产品的性能价格比，从而增强产品的竞争力，得到更多的市场份额和更丰厚的利润；另一方面，由于IC微细加工技术的进步，软件的硬件化已成为可能，为了改善系统的速度和简化程序，故各种硬件结构的ASIC如门阵列、可编程逻辑器件（包括FPGA）、标准单元、全定制电路等应运而生，其比例在整个IC销售额中1982年已占12％；其三是随着EDA工具（电子设计自动化工具）的发展，PCB设计方法引入IC设计之中，如库的概念、工艺模拟参数及其仿真概念等，设计开始进入抽象化阶段，使设计过程可以独立于生产工艺而存在。有远见的整机厂商和创业者包括风险投资基金（VC）看到ASIC的市场和发展前景，纷纷开始成立专业设计公司和IC设计部门，一种无生产线的集成电路设计公司（Fabless）或设计部门纷纷建立起来并得到迅速的发展。同时也带动了标准工艺加工线（Foundry）的崛起。全球第一个Foundry工厂是1987年成立的台湾积体电路公司，它的创始人张忠谋也被誉为"晶芯片加工之父"。
第三次变革："四业分离"的IC产业
90年代，随着INTERNET的兴起，IC产业跨入以竞争为导向的高级阶段，国际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密集资本竞争。以DRAM为中心来扩大设备投资的竞争方式已成为过去。如1990年，美国以Intel为代表，为抗争日本跃居世界半导体榜首之威胁，主动放弃DRAM市场，大搞CPU，对半导体工业作了重大结构调整，又重新夺回了世界半导体霸主地位。这使人们认识到，越来越庞大的集成电路产业体系并不有利于整个IC产业发展，"分"才能精，"整合"才成优势。于是，IC产业结构向高度专业化转化成为一种趋势，开始形成了设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面。近年来，全球IC产业的发展越来越显示出这种结构的优势。如台湾IC业正是由于以中小企业为主，比较好地形成了高度分工的产业结构，故自1996年，受亚洲经济危机的波及，全球半导体产业出现生产过剩、效益下滑，而IC设计业却获得持续的增长。特别是96、97、98年持续三年的DRAM的跌价、MPU的下滑，世界半导体工业的增长速度已远达不到从前17％的增长值，
若再依靠高投入提升技术，追求大尺寸硅片、追求微细加工，从大生产中来降低成本，推动其增长，将难以为继。而IC设计企业更接近市场和了解市场，通过创新开发出高附加值的产品，直接推动着电子系统的更新换代；同时，在创新中获取利润，在快速、协调发展的基础上积累资本，带动半导体设备的更新和新的投入；IC设计业作为集成电路产业的"龙头"，为整个集成电路产业的增长注入了新的动力和活力。
第六节 中国半导体技术发展史
1956年，我国提出“向科学进军”，根据国外发展电子器件的进程，提出了中国也要研究半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。中国科学院应用物理所首先举办了半导体器件短期培训班。请回国的半导体专家黄昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制造技术和半导体线路。在五所大学――北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学开办了半导体物理专业，共同培养第一批半导体人才。培养出了第一批著名的教授：北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德、吉林大学的高鼎三。1957年毕业的第一批研究生中有中国科学院院士王阳元（北京大学微电子所所长）、工程院院士许居衍（华晶集团中央研究院院长）和电子工业部总工程师俞忠钰（北方华虹设计公司董事长）。
1957年，北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一所开发锗晶体管。当年，中国相继研制出锗点接触二极管和三极管（即晶体管）。
1959年，天津拉制出硅（Si）单晶。
1960年，中科院在北京建立半导体研究所，同年在河北建立工业性专业化研究所――第十三所（河北半导体研究所）。
1962年，天津拉制出砷化镓单晶（GaAs），为研究制备其他化合物半导体打下了基础。 1962年，我国研究制成硅外延工艺，并开始研究采用照相制版，光刻工艺。
1963年，河北省半导体研究所制成硅平面型晶体管。
1964年，河北省半导体研究所研制出硅外延平面型晶体管。
1965年12月，河北半导体研究所召开鉴定会，鉴定了第一批半导体管，并在国内首先鉴定了DTL型（二极管――晶体管逻辑）数字逻辑电路。1966年底，在工厂范围内上海元件五厂鉴定了TTL电路产品。这些小规模双极型数字集成电路主要以与非门为主，还有与非驱动器、与门、或非门、或门、以及与或非电路等。标志着中国已经制成了自己的小规模集成电路。
1968年，组建国营东光电工厂（878厂）、上海无线电十九厂，至1970年建成投产，形成中国IC产业中的“两霸”。
1968年，上海无线电十四厂首家制成PMOS（P型金属－氧化物半导体）电路（MOSIC）。拉开了我国发展MOS电路的序幕，并在七十年代初，永川半导体研究所（现电子第24所）、上无十四厂和北京878厂相继研制成功NMOS电路。之后，又研制成CMOS电路。
七十年代初，IC价高利厚，需求巨大，引起了全国建设IC生产企业的热潮，共有四十多家集成电路工厂建成，四机部所属厂有749厂（永红器材厂）、871（天光集成电路厂）、878（东光电工厂）、4433厂（风光电工厂）和4435厂（韶光电工厂）等。各省市所建厂主要有：上海元件五厂、上无七厂、上无十四厂、上无十九厂、苏州半导体厂、常州半导体厂、北京半导体器件二厂、三厂、五厂、六厂、天津半导体（一）厂、航天部西安691厂等等。
1972年，中国第一块PMOS型LSI电路在四川永川半导体研究所研制成功。
1973年，我国7个单位分别从国外引进单台设备，期望建成七条3英寸工艺线，最后只有北京878厂，航天部陕西骊山771所和贵州都匀4433厂。
1976年11月，中国科学院计算所研制成功1000万次大型电子计算机，所使用的电路为中国科学院109厂（现中科院微电子中心）研制的ECL型（发射极耦合逻辑）电路。
1982年，江苏无锡的江南无线电器材厂（742厂）IC生产线建成验收投产，这是一条从日本东芝公司全面引进彩色和黑白电视机集成电路生产线，不仅拥有部封装，而且有3英寸全新工艺设备的芯片制造线，不但引进了设备和净化厂房及动力设备等“硬件”，而且还引进了制造工艺技术“软件”。这是中国第一次从国外引进集成电路技术。第一期742厂共投资2.7亿元（6600万美元），建设目标是月投10000片3英寸硅片的生产能力，年产2648万块IC成品，产品为双极型消费类线性电路，包括电视机电路和音响电路。到1984年达产，产量达到3000万块，成为中国技术先进、规模最大，具有工业化大生产的专业化工厂。
1982年10月，国务院为了加强全国计算机和大规模集成电路的领导，成立了以万里副总理为组长的“电子计算机和大规模集成电路领导小组”，制定了中国IC发展规划，提出“六五”期间要对半导体工业进行技术改造。
1983年，针对当时多头引进，重复布点的情况，国务院大规模集成电路领导小组提出“治散治乱”，集成电路要“建立南北两个基地和一个点”的发展战略，南方基地主要指上海、江苏和浙江，北方基地主要指北京、天津和沈阳，一个点指西安，主要为航天配套。
1986年，电子部厦门集成电路发展战略研讨会，提出“七五”期间我国集成电路技术“531”发展战略，即普及推广5微米技术，开发3微米技术，进行1微米技术科技攻关。
1988年，871厂绍兴分厂，改名为华越微电子有限公司。
1988年9月，上无十四厂在技术引进项目，建了新厂房的基础上，成立了中外合资公司――上海贝岭微电子制造有限公司。
1988年，在上海元件五厂、上无七厂和上无十九厂联合搞技术引进项目的基础上，组建成中外合资公司――上海飞利浦半导体公司（现在的上海先进）。
1989年2月，机电部在无锡召开“八五”集成电路发展战略研讨会，提出了“加快基地建设，形成规模生产，注重发展专用电路，加强科研和支持条件，振兴集成电路产业”的发展战略。
1989年8月8日，742厂和永川半导体研究所无锡分所合并成立了中国华晶电子集团公司。
1990年10月，国家计委和机电部在北京联合召开了有关领导和专家参加的座谈会，并向党中央进行了汇报，决定实施九O八工程。
1991年，首都钢铁公司和日本NEC公司成立中外合资公司――首钢NEC电子有限公司。
1995年，电子部提出“九五”集成电路发展战略：以市场为导向，以CAD为突破口，产学研用相结合，以我为主，开展国际合作，强化投资，加强重点工程和技术创新能力的建设，促进集成电路产业进入良性循环。
1995年10月，电子部和国家外专局在北京联合召开国内外专家座谈会，献计献策，加速我国集成电路产业发展。11月，电子部向国务院做了专题汇报，确定实施九0九工程。
1997年7月17日，由上海华虹集团与日本NEC公司合资组建的上海华虹NEC电子有限公司组建，总投资为12亿美元，注册资金7亿美元，华虹NEC主要承担“九0九”工程超大规模集成电路芯片生产线项目建设。
1998年1月，华晶与上华合作生产MOS圆片合约签定，有效期四年，华晶芯片生产线开始承接上华公司来料加工业务。
1998年1月18日，“九0八” 主体工程华晶项目通过对外合同验收，这条从朗讯科技公司引进的0.9微米的生产线已经具备了月投6000片6英寸圆片的生产能力。
1998年1月，中国华大集成电路设计中心向国内外用户推出了熊猫2000系统，这是我国自主开发的一套EDA系统，可以满足亚微米和深亚微米工艺需要，可处理规模达百万门级，支持高层次设计。
1998年2月，韶光与群立在长沙签订LSI合资项目，投资额达2.4亿元，合资建设大规模集成电路（LSI）微封装，将形成封装、测试集成电路5200万块的生产能力。
1998年2月28日，我国第一条8英寸硅单晶抛光片生产线建成投产，这个项目是在北京有色金属研究总院半导体材料国家工程研究中心进行的。
1998年3月16日，北京华虹集成电路设计有限责任公司与日本NEC株式会社在北京长城-饭店举行北京华虹NEC集成电路设计公司合资合同签字仪式，新成立的合资公司其
设计能力为每年约200个集成电路品种，并为华虹NEC生产线每年提供8英寸硅片两万片的加工订单。
1998年4月，集成电路“九0八”工程九个产品设计开发中心项目验收授牌，这九个设计中心为信息产业部电子第十五研究所、信息产业部电子第五下四研究所、上海集成电路设计公司、深圳先科设计中心、杭州东方设计中心、广东专用电路设计中心、兵器第二一四研究所、北京机械工业自动化研究所和航天工业771研究所。这些设计中心是与华晶六英寸生产线项目配套建设的。
1998年6月，上海华虹NEC九0九二期工程启动。
1998年6月12日，深港超大规模集成电路项目一期工程――后工序生产线及设计中心在深圳赛意法微电子有限公司正式投产，其集成电路封装测试的年生产能力由原设计的
3.18亿块提高到目前的7.3亿块，并将扩展的10亿块的水平。
1998年10月，华越集成电路引进的日本富士通设备和技术的生产线开始验收试制投 片，-该生产线以双极工艺为主、兼顾Bi-CMOS工艺、2微米技术水平、年投5英寸硅片15万片、年产各类集成电路芯片1亿只能力的前道工序生产线及动力配套系统。
1998年3月，由西安交通大学开元集团微电子科技有限公司自行设计开发的我国第一个-CMOS微型彩色摄像芯片开发成功，我国视觉芯片设计开发工作取得的一项可喜的成绩。
1999年2月23日，上海华虹NEC电子有限公司建成试投片，工艺技术档次从计划中的0.5微米提升到了0.35微米，主导产品64M同步动态存储器（S－DRAM）。这条生产线的建-成投产标志着我国从此有了自己的深亚微米超大规模集成电路芯片生产线。
第一章 半导体技术发展历史
第一节 晶体管之前的历史
在晶体管发明之前，最重要的电子元件是电子管，也叫“真空管”。
1.1爱迪生效应 (Edison effect)
1877年，爱迪生发明碳丝电灯，应用不久即出现了寿命太短的问题，这是因为碳丝难耐高温，使用不久即告“蒸发”，灯泡的寿命也就完结了。爱迪生设法改进这种电灯，1883年，他忽发奇想：在灯泡内另行封入一根铜线，也许可以阻止碳丝蒸发，延长灯泡寿命。
经过反复试验，碳丝依然蒸发如故，试验宣告失败，但他却从试验中发现了一个稀奇现象：碳丝加热后，铜线上竟有微弱的电流通过！铜线与碳丝并不相连，哪里来的电流？在当时，这是一件不可思议的事情，爱迪生敏感地意识到这是一项新的发现，把它记录在案，命名为“爱迪生效应”，并申报了一个在当时未找到任何实际用途的专利。
爱迪生效应装置
1.2 真空二极电子管
二十世纪初无线电报刚刚出现的时候，从发射台产生的高频无线电波，必须先经整流才能在收报台收到。而当时使用的是金属粉末检波器，它的结构复杂、功率很差，要进一步增大能信距离就非革新这个原始的检波器不可。
1885年，30岁的英国电气工程师弗莱明（J.Fleming）认为，“爱迪生效应”一定可以为热电子真空发射找到实际用途。
他在试验中发现，如果在真空灯泡里装上碳丝和铜板，分别充当阴极和屏极，则灯泡里的电子就能实现单向流动。经过反复试验，弗莱明于1904年研制出一种能够充当交流电
整流和无线电检波的装置，他把这种装置称为“热离子阀”，阀是开关的意思，并用这个名称申请了专利。这个装置正是世界上第一只电子管，也就是人们后来所说的真空二极电子管。
真空二极电子管当时主要作为检波器件，但是早期由于性能很不稳定，直到高真空电子管发明后，它才获得普遍应用。
1.3 真空三极电子管
1906年，为了提高真空二极电子管的检波灵敏度，德·福雷斯特(Lee De Forest)在二极管内添加了一个栅栏式的金属网，形成第三个极。这个“栅极”仿佛就像百叶窗那样，能控制阴极与屏极之间的电子流。只要栅极有微弱电流通过，就可在屏极上获得较大的电流，而且波形与栅极电流完全一致。德·福雷斯特为这“三个极”的真空管申请了专利，并宣告真空三极电子管具有放大作用。
由于早期的真空三极电子管真空度不高，效果一直不是很好。1912年，美国通用电气公司的化学家兰茂尔和美国电话电报公司的阿诺德，分别研制出高真空的三极电子管，使其放大倍数大幅度提高，工作性能更加稳定。从此，电子管进入了实用阶段。
真空三极电子管的发明和应用是电子技术史上划时代的大事，它为通讯、广播、电视、计算机等技术的发展铺平了道路。
1.4 第一台电子管计算机
1940年代初，美国陆军部为了二战的需要，开始研发一种新型大威力火炮，设在马里兰州的阿伯丁“弹道研究实验室”，每天为大量繁琐的弹道轨迹数据计算，伤透了脑筋，陆军部希望能有一种快速计算设备来解决大批量数据的计算问题。
1942年８月，宾夕法尼亚大学莫尔学院的约翰·莫奇利(John W. Mauchly)教授建议用电子管为基本元件，来制造高速运算的计算机，陆军部考察这个计划后，给予了财力支持，1943年，莫奇利和年仅２４岁的硕士研究生埃克特(J. Prespen Eckert)组织了一个研究小组，全力投入研制，并为这台计算机起名为“电子数值和积分计算器”，简称“ENIAC”（埃尼克）。
“ENIAC”（埃尼克）于1945年底完成研制，它使用了17,468只电子管，70,000只电阻，10,000只电容，占地167平方米，重量达30吨，耗电160千瓦，是一个名副其实的“庞然大物”。其运算速度比当时最好的机电式计算机快1000倍，每秒可进行5000次加法运算、357次乘法或38次除法运算。
“ENIAC”的诞生，是计算机发展史上的一个里程碑，标志着电子计算机时代的到来。
1.5 最初晶体管的构思
Julius Edgar Lilienfeld 李利费尔德(1882-1963)：德国人，曾在University of Leipzig任教，后由于德国日益增长的迫害犹太人的形式而移居美国，是公司的电容工程师。他于1925年第一个提出了场效应晶体管的概念并于1930年获得专利。
1935年, Oskar Heil描述了一种类似于结型场效应晶体管的结构(O.Heil, British Patent 439,457,1935). 然而，由于材料的困难实际制备晶体管在1960年以前是不可能的。
Shockley最初的场效应晶体管的专利申请被完全驳回；Bardeen的点接触晶体管的专利也为有Lilienfeld的专利在前，而有超过半数的人认为不能通过。
第二节 晶体管的发明
2.1 晶体管发明的历史
半导体器件是二十世纪四十年代发展起来的，特别是1947年晶体管（ “Transistor” is short for “Transfer Resistor” ）的发明，对电子技术的发展起到了决定性的作用。
1945年，Bell Labs建立了一个研究小组探索利用半导体替代真空管。该小组由William Shockley领导，成员包括John Bardeen、Walter Brattain等人。1947年Bardeen和Brattain成功使用一个电接触型的“可变电阻”-即今天被称为三极管“Transistor”的器件得到放大倍数为100的放大电路，稍后还演示了振荡器。1948年，Bardeen和Brattain提交了一份专利申请并在1950年被授予Bell Labs - 这就是美国专利US2,524,035, "Three Electrode Circuit Element Utilizing Semiconductive Materials".
点接触型晶体管制造工艺复杂，存在噪声大、在功率大时难于控制、适用范围窄等缺点。为了克服这些缺点，肖克莱于1949年提出用一种“整流结”来代替“触点”的大胆设想，1950年贝尔实验室M·斯帕克斯和G·L·皮尔逊研制出了第一只结型晶体管。
1956年诺贝尔物理学奖授予肖克莱（William Shockley，1910—1989）、巴丁（John Bardeen，1908—1991）、缪勒海尔（Murray Hill）和布拉顿（Walter Brattain，1902—1987），以表彰他们在1947年12月23日第一个对半导体的研究和NPN点接触式Ge晶体管效应的发现。Bardeen提出了表面态理论， Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验。
Bardeen是唯一一个两获诺贝尔奖的物理学家。
2.2 晶体管的优点
晶体管相对于电子管而言，具有电子管不可比拟的优越性：
1、晶体管的寿命一般比电子管长 100倍以上，电子管容易老化。
2、晶体管质量稳定，耐冲击、耐振动，电子管易碎。
3、晶体管消耗电子极少，不需预热，电子管工作前需要预热，加热灯丝以产生自由电子，所以晶体管收音机一开机就响，电子管收音机开机后，得等一会儿才听得到声音。
4、晶体管功耗低，一台晶体管收音机只要几节干电池就可以听半年以上，这对电子管收音机来说，是难以做到的。
5、晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度，且体积只有电子管的十分之一到百分之一，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。
正因为晶体管的性能如此优越，晶体管诞生之后，便被广泛地应用于工农业生产、国防建设以及人们日常生活中。1953年，首批电池式的晶体管收音机投放市场，引起了一个消费热潮。
第三节 集成电路的发明
随后在半导体器件的基础上发展起来的集成电路，使电子技术进入了一个新的里程碑。集成电路的不断发展，从小规模集成电路到中规模、大规模集成电路，以及发展到超大规模
集成电路。可以把过去一台仪器所包括的电子电路集成到一块芯片之中。
什么是集成电路？
Integrated Circuit，缩写IC
通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。
3.1 集成电路发明的背景
晶体管的发明使电子设备体积缩小，耗电减少，可靠性提高。然而随着电子工业的迅速发展，晶体管依然满足不了需求，以计算机为例，IBM公司1957年推出了608计算机，是世界上第一个投入商用的晶体管计算机，里面使用了3000个锗晶体管，重量达2400磅（约1090kg）。显然，这个计算机还是太重了。
为了克服晶体管的这些弱点，科学家们想尽办法使晶体管的体积变小，与之配套的电阻、电容、线圈、继电器、开关等元件，也沿着小型化的思路被压缩成微型电子元件，晶体管最小的已达到只有小米粒一样大小。然而，晶体管本身的小型化不是无限的，它达到一定程度后就很难再缩小了。
随着科技的不断发展，人们对电子元器件提出了更高的要求，需要更加小型化、功能完善的电子设备，这样集成电路就应运而生了。
3.2 集成电路的发明
1952年5月7日，英国的雷达科学家Geoffrey W.A. Dummer在华盛顿特区提出了集成电路的概念，即文章"Solid block [with] layers of insulating materials". 1956年的尝试以失败结束，但是作为提出IC概念的先驱，Dummer是IC史册不可缺的一页。
1956年，美国材料科学专家富勒和赖斯发明了半导体生产的扩散工艺，这样就为发明集成电路提供了工艺技术的基础。
1958年8月28日以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(Clair Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果。
平面技术（Planar technology）问世
Kilby的发明存在严重的缺陷：电路的元件依赖于金丝连接，这种连线上的困难阻碍了该技术用于大规模电路的可能。直到1958年后期仙童（Fairchild）公司瑞士出生的物理学家Jean Hoerni开发出一种在硅上制造PN结的结构，并在结上覆盖了一层薄的硅氧化层作绝缘层，在硅二极管上蚀刻小孔用于连接PN结。Sprague Electric捷克出生的物理学家Kurt Lehovec开发出使用PN结隔离元件的技术，这个问题才得以解决：1959年，也是仙童公司雇员的Robert Noyce产生了组合Hoerni's and Lehovec's工艺并通过在电路上方蒸镀薄金属层连接电路元件来制造集成电路的想法。平面工艺开始了复杂集成电路时代并沿用到今天。
罗伯特·诺伊斯（Robort Noyce）：集成电路的发明者，Intel的创始人之一
基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”,而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。
杰克·基尔比、赫伯特·克勒默和泽罗斯·阿尔费罗夫一起获得2000年Nobel物理奖，以表彰他们为现代信息技术的所作出的基础性贡献，特别是他们发明的IC、激光二极管和异质晶体管 。
3.3集成电路的优势
集成电路与分立元器件电路相比，主要有以下几个方面的优点：
（1）体积小、重量轻、功耗降低。一小块集成电路上可以集成大量的元器件，是一个独立的功能完善的电子系统。
（2）可以集成大量元器件，并可以批量生产，其成本大大降低。
（3）元器件集成在一块芯片上，因此焊接点大大减少，电路可靠性大大提高。
1962年1月，美国IBM公司开始采用双极型集成电路研制IBM360系列计算机。1964年4月7日，IBM公司在14个国家，全美63个城市同时宣告，世界上第一个采用集成电路的通用计算机IBM 360系统研制成功，该系列有大、中、小型计算机，共6个型号，它兼顾了科学计算和事务处理两方面的应用。该系列各种机器全都相互兼容，适用于各方面的用户，具有全方位的特点，正如罗盘有360度刻度一样，所以取名为360。它的研制开发经费高达50亿美元，是研制第一颗原子弹的曼哈顿计划的2.5倍。
IBM 360系列计算机是最早使用集成电路的通用计算机系列，它开创了民用计算机使用集成电路的先例，计算机从此进入了集成电路时代。与第二代计算机（晶体管计算机）相比，它体积更小、价格更低、可靠性更高、计算速度更快。IBM 360成为第三代计算机（集成电路计算机）的里程碑。
3.4摩尔定律
1965年，仙童公司的创始人戈登.摩尔根据1958年以来集成电路的发展，预测每两年同样硅片面积上的晶体管数目翻一番，原来他又把时间周期调整为18个月。这一预测在后来几十年历史中基本得到验证，被信息领域广泛引用为“摩尔定律”：一年半集成度增加一倍也就是每五年10倍，10年100倍。1965年一块集成电路含10个晶体管，70年是100个，80年约10000个，90年约100万个，2000年约1亿个晶体，真是每10年集成度提高100倍。
3.5 集成电路的发展历程
1947年12月16日：威廉·肖克莱(William Shockley)、约翰·巴顿(John Bardeen)和沃特·布拉顿(Walter Brattain)成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。
1950年：威廉·肖克莱开发出双极晶体管(Bipolar Junction Transistor)，这是现在通行的标准的晶体管。
1953年：第一个采用晶体管的商业化设备投入市场，即助听器。
1954年10月18日：第一台晶体管收音机Regency TR1投入市场，仅包含4只锗晶体管。
1961年4月25日：第一个集成电路专利被授予罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)。最初的晶体管对收音机和电话而言已经足够，但是新的电子设备要求规格更小的晶体管，即集成电路。
1965年：摩尔定律诞生。当时，戈登·摩尔(Gordon Moore)预测，未来一个芯片上的晶体管数量大约每年翻一倍(10年后修正为每两年)，摩尔定律在Electronics Magazine杂志一篇文章中公布。
1968年7月：罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔从仙童(Fairchild)半导体公司辞职，创立了一个新的企业，即英特尔公司，英文名Intel为“集成电子设备(integrated electronics)”的缩写。
1969年：英特尔成功开发出第一个PMOS硅栅晶体管技术。这些晶体管继续使用传统的二氧化硅栅介质，但是引入了新的多晶硅栅电极。
1971年：英特尔发布了其第一个微处理器4004。4004规格为1/8英寸 x 1/16英寸，包含仅2000多个晶体管，采用英特尔10微米PMOS技术生产。
1978年：英特尔标志性地把英特尔8088微处理器销售给IBM新的个人电脑事业部，武装了IBM新产品IBM PC的中枢大脑。16位8088处理器含有2.9万个晶体管，运行频率为5MHz、8MHz和10MHz。8088的成功推动英特尔进入了财富(Forture) 500强企业排名，《财富(Forture)》杂志将英特尔公司评为“七十大商业奇迹之一(Business Triumphs of the Seventies)”。
1982年：286微处理器(又称80286)推出，成为英特尔的第一个16位处理器，可运行为英特尔前一代产品所编写的所有软件。286处理器使用了13400个晶体管，运行频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。
1985年：英特尔386微处理器问世，含有27.5万个晶体管，是最初4004晶体管数量的100多倍。386是32位芯片，具备多任务处理能力，即它可在同一时间运行多个程序。 1993年：英特尔·奔腾·处理器问世，含有3百万个晶体管，采用英特尔0.8微米制程技术生产。
1999年2月：英特尔发布了奔腾·III处理器。奔腾III是1x1正方形硅，含有950万个晶体管，采用英特尔0.25微米制程技术生产。
2002年1月：英特尔奔腾4处理器推出，高性能桌面台式电脑由此可实现每秒钟22亿个周期运算。它采用英特尔0.13微米制程技术生产，含有5500万个晶体管。
2002年8月13日：英特尔透露了90纳米制程技术的若干技术突破，包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。
2003年3月12日：针对笔记本的英特尔·迅驰·移动技术平台诞生，包括了英特尔最新的移动处理器“英特尔奔腾M处理器”。该处理器基于全新的移动优化微体系架构，采用英特尔0.13微米制程技术生产，包含7700万个晶体管。
2005年5月26日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器”诞生，含有
2.3亿个晶体管，采用英特尔领先的90纳米制程技术生产。
2006年7月18日：英特尔“安腾”双核处理器发布，采用世界最复杂的产品设计，含有17.2亿个晶体管。该处理器采用英特尔90纳米制程技术生产。
2006年7月27日：英特尔·酷睿2双核处理器诞生。该处理器含有2.9亿多个晶体管，采用英特尔65纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生产。
2006年9月26日：英特尔宣布，超过15种45纳米制程产品正在开发，面向台式机、笔记本和企业级计算市场，研发代码Penryn，是从英特尔;酷睿微体系架构派生而出。
2007年1月8日：为扩大四核PC向主流买家的销售，英特尔发布了针对桌面电脑的65纳米制程英特尔·酷睿2四核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔·酷睿2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。
2007年1月29日：英特尔公布采用突破性的晶体管材料即高-k栅介质和金属栅极。英特尔将采用这些材料在公司下一代处理器——英特尔酷睿2双核、英特尔酷睿2四核处理器以及英特尔至强系列多核处理器的数以亿计的45纳米晶体管或微小开关中用来构建绝缘“墙”和开关“门”，研发代码Penryn。采用了这些先进的晶体管，已经生产出了英特尔45纳米微处理器。
第四节 微电子技术介绍
4.1 微电子技术的几个基本概念
微电子学（ Microelectronics）：
一门学科，一门研究集成电路设计、制造、测试、封装等全过程的学科
半导体（Semiconductor）：
内涵及外延均与微电子类似，是早期的叫法
集成电路IC（Integrate Circuit）：
一类元器件的统称，该类器件广泛应用于电子信息产业，几乎所有的电子产品均由集成电路装配而成
芯片(chip/die)：
没有封装的集成电路，但通常也与集成电路混用，作为集成电路的又一个名称 集成系统芯片SoC（System on a Chip）：
微电子学和集成电路技术发展的产物，指在单芯片上实现系统级的功能
4.2 微电子学的特点
微电子学：电子学的一门分支学科
a)微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。
－6-9 b)微电子学中的空间尺度通常是以微米(m, 1m＝10m)和纳米(nm, 1nm = 10m)为单位
的。微电子学是信息领域的重要基础学科.
c)微电子学是一门综合性很强的边缘学科,涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科
d)微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向
e)微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等
4．3 微电子的分类
a)按器件结构类型分类
双极(Bipolar)集成电路：主要由双极晶体管构成
只含NPN型晶体管的双极集成电路（数字电路）
含NPN型及PNP型晶体管的双极集成电路（模拟电路）
金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成
NMOS
PMOS
CMOS(互补MOS)
双极-MOS (Bi-MOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为Bi-MOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂.
b)规摸大小通常按集成度或每个芯片的门数来划分。
按集成电路规模分类
集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目
小规模集成电路(Small Scale IC，SSI)
中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI)
大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)
超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)
特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI)
巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）
4.4描述集成电路工艺技术水平的五个技术指标
1） 集成度（Integration Level）
以一个IC芯片所包含的元件(晶体管或门/数)来衡量，（包括有源和无源元件）。随着集成度的提高，使IC及使用IC的电子设备的功能增强、速度和可靠性提高、功耗降低、体积和重量减小、产品成本下降，从而提高了性能/价格比，不断扩大其应用领域，因此集成度是IC技术进步的标志。为了提高集成度采取了增大芯片面积、缩小器件特征尺寸、改进电路及结构设计等措施。为节省芯片面积普遍采用了多层布线结构，现已达到7层布线。晶片集成(Wafer Scale Integration-WSI)和三维集成技术也正在研究开发。自IC问世以来，集成度不断提高，现正迈向巨大规模集成(Giga Scale Integration-GSl)。从电子系统的角度来看，集成度的提高使IC进入系统集成或片上系统(SoC)的时代。
2） 特征尺寸 (Feature Size) / （Critical Dimension）
特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度)，也可定义为最小线条宽度与线条间距之和的一半。减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18μm、0.15 μm 、0.13μm工艺， Intel目前将大部分芯片生产制成转换到0.09 μm 。
Common IC Features
3） 晶片直径(Wafer Diameter)
为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8吋，正在向12吋晶圆迈进。
4）芯片面积(Chip Area)
随着集成度的提高，每芯片所包含的晶体管数不断增多，平均芯片面积也随之增大。芯片面积的增大也带来一系列新的问题。如大芯片封装技术、成品率以及由于每个大圆片所含芯片数减少而引起的生产效率降低等。但后一问题可通过增大晶片直径来解决。
5）封装(Package)
IC的封装最初采用插孔封装THP (through-hole package)形式。为适应电子设备高密度组装的要求，表面安装封装(SMP)技术迅速发展起来。在电子设备中使用SMP的优点是能节省空间、改进性能和降低成本，因SMP不仅体积小而且可安装在印制电路板的两面，使电路板的费用降低60％，并使性能得到改进。
1990s Microchip
1960s Transistor
U.S. coin, 10 cents第五节 世界集成电路产业结构的变化及其发展历程
自1958
年美国德克萨斯仪器公司
(TI)发明集成电路（IC）后，随着硅平面技术的发展，二十世纪六十年代先后发明了双极型和MOS型两种重要的集成电路，它标志着由电子管和晶体管制造电子整机的时代发生了量和质的飞跃，创造了一个前所未有的具有极强渗透力和旺盛生命力的新兴产业集成电路产业。
回顾集成电路的发展历程，我们可以看到，自发明集成电路至今40多年以来，"从电路集成到系统集成"这句话是对IC产品从小规模集成电路（SSI）到今天特大规模集成电路
（ULSI）发展过程的最好总结，即整个集成电路产品的发展经历了从传统的板上系统
（System-on-board）到片上系统（System-on-a-chip）的过程。在这历史过程中，世界IC产业为适应技术的发展和市场的需求，其产业结构经历了三次变革。
第一次变革：以加工制造为主导的IC产业发展的初级阶段。
70年代，集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。这一时期IC制造商（IDM）在IC市场中充当主要角色，IC设计只作为附属部门而存在。这时的IC设计和半导体工艺密切相关。IC设计主要以人工为主，CAD系统仅作为数据处理和图形编程之用。IC产业仅处在以生产为导向的初级阶段。
第二次变革：Foundry公司与IC设计公司的崛起。
80年代，集成电路的主流产品为微处理器（MPU）、微控制器（MCU）及专用IC（ASIC）。这时，无生产线的IC设计公司（Fabless）与标准工艺加工线（Foundry）相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式。
随着微处理器和PC机的广泛应用和普及（特别是在通信、工业控制、消费电子等领域），IC产业已开始进入以客户为导向的阶段。一方面标准化功能的IC已难以满足整机客户对系统成本、可靠性等要求，同时整机客户则要求不断增加IC的集成度，提高保密性，减小芯片面积使系统的体积缩小，降低成本，提高产品的性能价格比，从而增强产品的竞争力，得到更多的市场份额和更丰厚的利润；另一方面，由于IC微细加工技术的进步，软件的硬件化已成为可能，为了改善系统的速度和简化程序，故各种硬件结构的ASIC如门阵列、可编程逻辑器件（包括FPGA）、标准单元、全定制电路等应运而生，其比例在整个IC销售额中1982年已占12％；其三是随着EDA工具（电子设计自动化工具）的发展，PCB设计方法引入IC设计之中，如库的概念、工艺模拟参数及其仿真概念等，设计开始进入抽象化阶段，使设计过程可以独立于生产工艺而存在。有远见的整机厂商和创业者包括风险投资基金（VC）看到ASIC的市场和发展前景，纷纷开始成立专业设计公司和IC设计部门，一种无生产线的集成电路设计公司（Fabless）或设计部门纷纷建立起来并得到迅速的发展。同时也带动了标准工艺加工线（Foundry）的崛起。全球第一个Foundry工厂是1987年成立的台湾积体电路公司，它的创始人张忠谋也被誉为"晶芯片加工之父"。
第三次变革："四业分离"的IC产业
90年代，随着INTERNET的兴起，IC产业跨入以竞争为导向的高级阶段，国际竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密集资本竞争。以DRAM为中心来扩大设备投资的竞争方式已成为过去。如1990年，美国以Intel为代表，为抗争日本跃居世界半导体榜首之威胁，主动放弃DRAM市场，大搞CPU，对半导体工业作了重大结构调整，又重新夺回了世界半导体霸主地位。这使人们认识到，越来越庞大的集成电路产业体系并不有利于整个IC产业发展，"分"才能精，"整合"才成优势。于是，IC产业结构向高度专业化转化成为一种趋势，开始形成了设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面。近年来，全球IC产业的发展越来越显示出这种结构的优势。如台湾IC业正是由于以中小企业为主，比较好地形成了高度分工的产业结构，故自1996年，受亚洲经济危机的波及，全球半导体产业出现生产过剩、效益下滑，而IC设计业却获得持续的增长。特别是96、97、98年持续三年的DRAM的跌价、MPU的下滑，世界半导体工业的增长速度已远达不到从前17％的增长值，
若再依靠高投入提升技术，追求大尺寸硅片、追求微细加工，从大生产中来降低成本，推动其增长，将难以为继。而IC设计企业更接近市场和了解市场，通过创新开发出高附加值的产品，直接推动着电子系统的更新换代；同时，在创新中获取利润，在快速、协调发展的基础上积累资本，带动半导体设备的更新和新的投入；IC设计业作为集成电路产业的"龙头"，为整个集成电路产业的增长注入了新的动力和活力。
第六节 中国半导体技术发展史
1956年，我国提出“向科学进军”，根据国外发展电子器件的进程，提出了中国也要研究半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。中国科学院应用物理所首先举办了半导体器件短期培训班。请回国的半导体专家黄昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制造技术和半导体线路。在五所大学――北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学开办了半导体物理专业，共同培养第一批半导体人才。培养出了第一批著名的教授：北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德、吉林大学的高鼎三。1957年毕业的第一批研究生中有中国科学院院士王阳元（北京大学微电子所所长）、工程院院士许居衍（华晶集团中央研究院院长）和电子工业部总工程师俞忠钰（北方华虹设计公司董事长）。
1957年，北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一所开发锗晶体管。当年，中国相继研制出锗点接触二极管和三极管（即晶体管）。
1959年，天津拉制出硅（Si）单晶。
1960年，中科院在北京建立半导体研究所，同年在河北建立工业性专业化研究所――第十三所（河北半导体研究所）。
1962年，天津拉制出砷化镓单晶（GaAs），为研究制备其他化合物半导体打下了基础。 1962年，我国研究制成硅外延工艺，并开始研究采用照相制版，光刻工艺。
1963年，河北省半导体研究所制成硅平面型晶体管。
1964年，河北省半导体研究所研制出硅外延平面型晶体管。
1965年12月，河北半导体研究所召开鉴定会，鉴定了第一批半导体管，并在国内首先鉴定了DTL型（二极管――晶体管逻辑）数字逻辑电路。1966年底，在工厂范围内上海元件五厂鉴定了TTL电路产品。这些小规模双极型数字集成电路主要以与非门为主，还有与非驱动器、与门、或非门、或门、以及与或非电路等。标志着中国已经制成了自己的小规模集成电路。
1968年，组建国营东光电工厂（878厂）、上海无线电十九厂，至1970年建成投产，形成中国IC产业中的“两霸”。
1968年，上海无线电十四厂首家制成PMOS（P型金属－氧化物半导体）电路（MOSIC）。拉开了我国发展MOS电路的序幕，并在七十年代初，永川半导体研究所（现电子第24所）、上无十四厂和北京878厂相继研制成功NMOS电路。之后，又研制成CMOS电路。
七十年代初，IC价高利厚，需求巨大，引起了全国建设IC生产企业的热潮，共有四十多家集成电路工厂建成，四机部所属厂有749厂（永红器材厂）、871（天光集成电路厂）、878（东光电工厂）、4433厂（风光电工厂）和4435厂（韶光电工厂）等。各省市所建厂主要有：上海元件五厂、上无七厂、上无十四厂、上无十九厂、苏州半导体厂、常州半导体厂、北京半导体器件二厂、三厂、五厂、六厂、天津半导体（一）厂、航天部西安691厂等等。
1972年，中国第一块PMOS型LSI电路在四川永川半导体研究所研制成功。
1973年，我国7个单位分别从国外引进单台设备，期望建成七条3英寸工艺线，最后只有北京878厂，航天部陕西骊山771所和贵州都匀4433厂。
1976年11月，中国科学院计算所研制成功1000万次大型电子计算机，所使用的电路为中国科学院109厂（现中科院微电子中心）研制的ECL型（发射极耦合逻辑）电路。
1982年，江苏无锡的江南无线电器材厂（742厂）IC生产线建成验收投产，这是一条从日本东芝公司全面引进彩色和黑白电视机集成电路生产线，不仅拥有部封装，而且有3英寸全新工艺设备的芯片制造线，不但引进了设备和净化厂房及动力设备等“硬件”，而且还引进了制造工艺技术“软件”。这是中国第一次从国外引进集成电路技术。第一期742厂共投资2.7亿元（6600万美元），建设目标是月投10000片3英寸硅片的生产能力，年产2648万块IC成品，产品为双极型消费类线性电路，包括电视机电路和音响电路。到1984年达产，产量达到3000万块，成为中国技术先进、规模最大，具有工业化大生产的专业化工厂。
1982年10月，国务院为了加强全国计算机和大规模集成电路的领导，成立了以万里副总理为组长的“电子计算机和大规模集成电路领导小组”，制定了中国IC发展规划，提出“六五”期间要对半导体工业进行技术改造。
1983年，针对当时多头引进，重复布点的情况，国务院大规模集成电路领导小组提出“治散治乱”，集成电路要“建立南北两个基地和一个点”的发展战略，南方基地主要指上海、江苏和浙江，北方基地主要指北京、天津和沈阳，一个点指西安，主要为航天配套。
1986年，电子部厦门集成电路发展战略研讨会，提出“七五”期间我国集成电路技术“531”发展战略，即普及推广5微米技术，开发3微米技术，进行1微米技术科技攻关。
1988年，871厂绍兴分厂，改名为华越微电子有限公司。
1988年9月，上无十四厂在技术引进项目，建了新厂房的基础上，成立了中外合资公司――上海贝岭微电子制造有限公司。
1988年，在上海元件五厂、上无七厂和上无十九厂联合搞技术引进项目的基础上，组建成中外合资公司――上海飞利浦半导体公司（现在的上海先进）。
1989年2月，机电部在无锡召开“八五”集成电路发展战略研讨会，提出了“加快基地建设，形成规模生产，注重发展专用电路，加强科研和支持条件，振兴集成电路产业”的发展战略。
1989年8月8日，742厂和永川半导体研究所无锡分所合并成立了中国华晶电子集团公司。
1990年10月，国家计委和机电部在北京联合召开了有关领导和专家参加的座谈会，并向党中央进行了汇报，决定实施九O八工程。
1991年，首都钢铁公司和日本NEC公司成立中外合资公司――首钢NEC电子有限公司。
1995年，电子部提出“九五”集成电路发展战略：以市场为导向，以CAD为突破口，产学研用相结合，以我为主，开展国际合作，强化投资，加强重点工程和技术创新能力的建设，促进集成电路产业进入良性循环。
1995年10月，电子部和国家外专局在北京联合召开国内外专家座谈会，献计献策，加速我国集成电路产业发展。11月，电子部向国务院做了专题汇报，确定实施九0九工程。
1997年7月17日，由上海华虹集团与日本NEC公司合资组建的上海华虹NEC电子有限公司组建，总投资为12亿美元，注册资金7亿美元，华虹NEC主要承担“九0九”工程超大规模集成电路芯片生产线项目建设。
1998年1月，华晶与上华合作生产MOS圆片合约签定，有效期四年，华晶芯片生产线开始承接上华公司来料加工业务。
1998年1月18日，“九0八” 主体工程华晶项目通过对外合同验收，这条从朗讯科技公司引进的0.9微米的生产线已经具备了月投6000片6英寸圆片的生产能力。
1998年1月，中国华大集成电路设计中心向国内外用户推出了熊猫2000系统，这是我国自主开发的一套EDA系统，可以满足亚微米和深亚微米工艺需要，可处理规模达百万门级，支持高层次设计。
1998年2月，韶光与群立在长沙签订LSI合资项目，投资额达2.4亿元，合资建设大规模集成电路（LSI）微封装，将形成封装、测试集成电路5200万块的生产能力。
1998年2月28日，我国第一条8英寸硅单晶抛光片生产线建成投产，这个项目是在北京有色金属研究总院半导体材料国家工程研究中心进行的。
1998年3月16日，北京华虹集成电路设计有限责任公司与日本NEC株式会社在北京长城-饭店举行北京华虹NEC集成电路设计公司合资合同签字仪式，新成立的合资公司其
设计能力为每年约200个集成电路品种，并为华虹NEC生产线每年提供8英寸硅片两万片的加工订单。
1998年4月，集成电路“九0八”工程九个产品设计开发中心项目验收授牌，这九个设计中心为信息产业部电子第十五研究所、信息产业部电子第五下四研究所、上海集成电路设计公司、深圳先科设计中心、杭州东方设计中心、广东专用电路设计中心、兵器第二一四研究所、北京机械工业自动化研究所和航天工业771研究所。这些设计中心是与华晶六英寸生产线项目配套建设的。
1998年6月，上海华虹NEC九0九二期工程启动。
1998年6月12日，深港超大规模集成电路项目一期工程――后工序生产线及设计中心在深圳赛意法微电子有限公司正式投产，其集成电路封装测试的年生产能力由原设计的
3.18亿块提高到目前的7.3亿块，并将扩展的10亿块的水平。
1998年10月，华越集成电路引进的日本富士通设备和技术的生产线开始验收试制投 片，-该生产线以双极工艺为主、兼顾Bi-CMOS工艺、2微米技术水平、年投5英寸硅片15万片、年产各类集成电路芯片1亿只能力的前道工序生产线及动力配套系统。
1998年3月，由西安交通大学开元集团微电子科技有限公司自行设计开发的我国第一个-CMOS微型彩色摄像芯片开发成功，我国视觉芯片设计开发工作取得的一项可喜的成绩。
1999年2月23日，上海华虹NEC电子有限公司建成试投片，工艺技术档次从计划中的0.5微米提升到了0.35微米，主导产品64M同步动态存储器（S－DRAM）。这条生产线的建-成投产标志着我国从此有了自己的深亚微米超大规模集成电路芯片生产线。