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《半导体简史》王齐范淑琴｜读书笔记

2026-02-28 00:54:01   0  举报

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《半导体简史》王齐范淑琴｜读书笔记

半导体

芯片

半导体简史

半导体芯片

半导体行业分析

模版推荐

作者其他创作

大纲/内容

半导体全产业链

基础线

第一章

第五章

应用线

第二章

第三章

制造线

第二章

第四章

第五章

第一章半导体的起源

1.1 电与磁

牛顿摩擦发电机—莱顿瓶—库仑定律（万有引力定律）—伏特伏打电堆—奥斯特实验—安培力定律—法拉第实验 “场”—麦克斯韦方程组—赫兹实验（验证电磁场理论）—马可尼无线电报实验（无线电应用）

1.2 能检波的石头

半导体特性（热敏特性、光伏效应、光电导效应、整流特性）—无线电检波器

1.3 神奇的“电灯”

电子管（二极管、三极管）—与非门

1.4 量子世界

普朗克常数— 初期量子力学（光谱分析/原子结构/统计/波粒二象性）—索尔维会议—电子双缝实验

1.5 元素的奥秘

元素周期表—薛定谔方程

与半导体材料相关的主要元素

元素半导体：单独由硅和锗组成

硅：熔点高，1410摄氏度，提炼难度较高；硅二极管可反向承受3-4V电压

锗：熔点938摄氏度，熔点较低利于提纯；锗二极管可反向承受50V电压；不耐高温，是稀有材料比硅少，开采成本较高

化合物半导体：不同元素的组合，其中有机半导体材料较为特殊

1.6 晶体的结构

晶体：指微观结构按一定规律周期性排列的物质，具有周期性和对称性。天然晶体：食盐、糖、沙粒、金属等固体。 同一种半导体元素，其晶体价值大于非晶体，如碳元素：铅笔芯-非晶体，钻石-晶体。

阴极射线管—电子（决定了金属、绝缘体与半导体的区别）—X射线的衍射实验—布拉格方程

傅里叶变换

1.7 自由的电子

欧姆定律—Drude模型—索末菲模型—布洛赫定理—能带理论—能带色散关系函数—DFT算法

金属、半导体与绝缘体的区别并不绝对，在不同条件下可以相互转换。

半导体的导电特性随着温度的上升而提高，而金属恰好相反。

个人阅读感受

高中偏爱理科，因高考分数线大学无奈选择管理学科，再看到这么多理论公式的书籍时内心充满了抑制不住的兴奋感。

人类能发展到如今的地步，多要感谢那些从未停止探索的人们，亦包括那些未曾出现在“功劳簿”上付出过努力的人们。

很多事情哪怕是做错了，也是为接下来的“做对”铺路，不要停止我们的探索，“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。

第二章晶体管来了

2.1 接触的奥秘

二战中计算机技术与雷达技术突破—肖特基势垒—掺杂技术—半导体提纯—半导体PN结

硅晶体三种形态

无定形结晶：也称玻璃态晶体，在半导体产业中用途不广

多晶：多晶硅，具有良好的高温稳定性和导电性，在半导体中广泛应用，如晶体管的栅极、电容的电极

单晶：单晶硅，有较强点对称与平移对称特性，是制作半导体芯片的基石，如二极管

2.2 最长的一个月

贝尔实验室—点接触式晶体管（全面替换电子管）

晶体管VS电子管

晶体管：体积小、能耗低、放大倍数大、有效工作时间长、制造成本低等（电子管的全部缺点均可被晶体管有效克服，可以更加方便的实现“与非门”）

2.3 肖克利的救赎

结型晶体管—直拉单晶法—生长结法—NPN型晶体管—杂质扩散法—1955年，贝尔实验室，光刻技术生产晶体管（配套光刻胶、刻蚀技术、光罩）

美国半导体三大派系

IBM系、摩托系、德仪系（Teal）

其他：硅谷系（肖克利）

2.4 硅谷之父

研制晶体管｜肖克利半导体实验室—仙童半导体

2.5 集成电路的诞生

“厚膜电路”—台型晶体管（NPN/PNP）—晶体微型化—单片集成电路

2.6 “八叛逆”与平面工艺

照相制版技术—光刻胶—光刻技术

平面制作工艺（以NPN型晶体管为例）

1、集电区制作（硅晶圆）

2、基区光刻胶成型

3、基区制作

4、发射区制作

5、引脚制作

（铜互连技术）

6、封装测试：将加工后的晶圆移交至封装测试厂，制作出最终产品

2.7 强大的近邻

RAM易失性存储 （内存-内存条）：静态随机存储器SRAM（需6-8个晶体管）—动态随机存储器DRAM（需1个晶体管）

2.8 逆风飞扬

ROM非易失性存储（闪存-固态硬盘）：NOR Flash—NAND Flash

第三章计算世界

3.1 绝代双骄

计算机算法：希尔伯特空间—图灵机—二战—图灵Bombe密码破译机—Colossus破译机—ACE计算机—图灵测试理论（人工智能）

计算机体系结构：ENIAC计算机—曼哈顿计划—EDVAC计算机—“冯·诺伊曼体系”—冯·诺伊曼瓶颈（存储器为中心—Cache层次结构缓解）

“冯·诺伊曼体系”的组成结构

控制单元

算术逻辑单元

寄存器

内存单元（存储器）

输入/输出设备

3.2 大型机时代

UNIVAC计算机—IBM701—CDC1604—PDP-1小型机—IBM1401—System/360大型机—CDC6600超级计算机—B语言—UNIX操作系统—C语言—POSIX规范（操作系统兼容）

3.3 Wintel帝国

Intel微处理器—IBM第一代PC—RISC精简指令集架构—IBM801处理器—Wintel（微软Windows操作系统+Intel x86处理器）—OS2操作系统—Windows NT—Tick-Tock

主机（IBM）-处理器（Intel-x86/AMD-K8）；应用程序-操作系统（微软-Windows）

3.4 Tick-Tock

Intel的Tick-Tock战略：半导体工艺制成每升级一次推动下一年处理器微架构升级一次，每两年一循环

A年升级工艺制成 Z1

A+1年用Z1制成升级微架构 W1

A+2年用W1升级工艺制成 Z2

A+3年用Z2升级微架构 W2

处理器微架构的组成

指令流水线：将程序中指令进行分解为多步骤（指令预取、译码、执行、回写等），以流水方式快速执行。核心是“运算速度”

包括

算术逻辑单元

寄存器

控制单元

主要任务

执行算术与逻辑运算指令

问题：细分流水线的执行步骤有助于提高主频，从而提高性能。1、提高主频，流水线被打断重建恢复代价越高；2、主频越高功耗越大，一个集成电路能支撑的最大功耗有限。

优化：乱序执行（准备就绪的指令率先执行）、超标量流水线（指令并行）

执行存储器访问指令

存储器层次结构：核心是“交易次数”

内存管理单元

多级Cache

优化：加快内部Cache读取速度，扩展外部Cache（微架构之外的Cache）容量

内存控制器

3.5 ARM的崛起

ARM微架构—手机—智能手机—Cortex微架构

3.6 谈设计

数字集成电路的生产

设计

早期：用逻辑门绘制原理图

与非门：最简单输入与非门由4个晶体管搭建

触发器：如D触发器由20个左右晶体管搭建

后期：计算机辅助设计CAD—电子设计自动化EDA—设计采用Verilog等硬件行为级描述语言

集成电路设计流程

前端

产品定义

数字逻辑设计

仿真检查

生成网表

后端

数据准备：与晶圆厂确定制作工艺，并获取相关数据（大致确定芯片尺寸）

布图规划

单元摆放

构建时钟网格

自动布线

时序收敛

验证并交付

制造：也需要EDA软件的深度参与

Patterned Wafer：是最重要的环节，将设计产生的集成电路版图，逐层转移到原始晶圆（主流为12in）

前道工序FEOL（核心）：晶体管层制作

后道工序BEOL：前道工序之后剩余过程，主要是制作晶体管层之上的金属层

进行晶圆可接受度测试WAT：检验晶体管、电阻与电容等器件的电气特性。通过WAT的晶圆将被送入封测厂

封测厂进行CP测试：检查晶圆的逻辑功能、引脚电气特性等参数，挑选出残次品，未通过的进行标记 Ink Die / Good Die（未经封装的集成电路本体，也叫管芯/裸芯）

切割与封装：CP测试后，将完整晶圆切割为一个个Die，再进行封装

FT（Final Test）：封装完毕的芯片将进行最后一次测试，通过后发售给客户

通用处理器时代：设计师很难有机会从头设计一个复杂的集成电路，更多工作是根据应用场景，排列组合各类IP模块（购买知识产权，通用模块），制作SoC系统级芯片。

3.7 应用时代

互联网—互联网泡沫—互联网1.0（黄页检索）—互联网2.0（搜索引擎-电子广告）—移动互联（社交网络）—人工智能（AlphaGo）—图形处理器GPU

第四章制造为王

4.1 万能的生态

晶体管制作

材料：硅为主材料

改进：应变硅技术

晶体管结构：CMOS晶体管为基本结构

改进：摩尔定律，三维晶体管结构

制作工艺：平面工艺

改进：围绕光刻机展开的各类设备与材料的进步

4.2 从硅到芯片

4.3 摩尔定律

摩尔定律：集成电路上可容纳的晶体管数目每18个月翻一番。

光刻机的组成

光源系统

照明系统

光学系统

工件台

ASML-光刻机厂商：深紫外光源DUV（波长248nm-134nm）—极紫外光源EUV（波长13.5nm，2020年）

4.4 蓝色巨人

IBM在半导体领域诸多成就

4.5 加减法设备

集成电路制作设备

生产设备

光刻机（40-50%时间）：主流193nm光刻机，加工200多片晶圆/h

辅助光刻的设备

加法设备：添加材料

沉积与外延设备

沉积设备：氧化炉、CVD、PVD、ALE等

外延设备：MBE、ALE、MOCVD等

掺杂设备：扩散炉或离子注入机（需配合快速退火炉设备）

减法设备：去除材料

刻蚀设备：干法刻蚀精度高于湿法刻蚀，成本也更高

抛光设备：CMP

其他设备：辅助自动化、清洗等设备

检测设备

量测设备：测量制作过程的各种参数

缺陷检测设备

测试设备

物质状态：四种状态加热可转换

固态

液态

气态

等离子体：人类生存环境中不存在，宇宙中超99%的可见物质处于等离子态

4.6 制作之旅

双阱工艺制作CMOS晶体管：详细P243，大致流程参考2.6

4.7 奔腾的芯

工艺制程突破，Intel超越IBM：应变硅技术（将硅拉伸与压缩）—High K材料（替换二氧化硅）与金属栅极—3D晶体管

4.8 筚路蓝缕

芯片厂的运营模式

IDM模式

IDM厂商：IC设计—IC制造—IC封装—IC测试

代表厂商

国际：英特尔、三星、SK海力士、德州仪器、英飞凌、美光

国内：长江存储、长鑫存储、华润微、士兰微

Fab-lite模式：部分IDM厂商，部分产品交给代工厂，部分自有晶圆厂生产，目前只有存储厂商（三星、海力士、美光）保持纯IDM模式

Fabless模式

Fabless公司：IC设计

代表厂商

国际：英伟达、高通、AMD、博通

国内：华为海思、韦尔股份、卓胜微、兆易创新、紫光展锐

晶圆代工厂：IC制造

代表厂商

国际：台积电60%（马太效应，1987年，张忠谋创办）、格芯、联电

国内：中芯国际5%、华虹半导体

封测厂：IC封装—IC测试

代表厂商

国际：日月光（台湾，地缘优势）、安靠、力成科技

国内：长电科技、通富微电、华天科技

第五章生命之光

5.1 光学起源

粒子说—波动说—赫兹发现光电效应—光谱分析—拉曼光谱—普朗克公式—爱因斯坦提出光量子理论和光电效应方程（康普顿效应解释）

5.2 从光到电

光生伏特效应—光伏电池（用硅材料PN结制作）

基于单PN结，光电转换效率最高33.7%

理论上转换效率最优的材料，其能带间隙为1.34eV

硅1.12eV，最高约30%转换率

GaAs砷化镓1.42eV，但综合不如硅

光伏电站

光伏面板：多级光伏电池—光伏组件—光伏面板

逆变器

交流汇流系统

监控系统

5.3 从电到光

受激吸收：当一个电子吸收到足够的足够的电能、热能或光能时，将从低能级的基态跃迁至高能级。

被激发到高能级后的电子，总会试图回到基态，过程将释放之前所吸收的能量。释放能量有两种方式：

1⃣️将能量转换为热运动

2⃣️自发辐射：将能量转换为光

电致发光：利用半导体材料在电场作用下主动发光原理实现

照明（单个或多个点光源组成）：LED发光二极管（不同颜色光源可以用不同半导体材料制成）

显示：大量点光源有序排列组合，一个点光源为一个像素（三个子像素RGB）。有机发光二极管OLED显示器。

电子束发光与光致发光也能制作显示器

5.4 蓝光之魅

蓝光LED

5.5 最亮的光

粒子进行状态跃迁时能量交换的两种方式

自发辐射：电子从高能级态自然回落到低能级态时，释放能量的过程

受激辐射：受到外界辐射的情况下，电子从高能级态依然有几率回落到低能级态的过程

激光：激光二极管LD（光存储、光通信）

5.6 阿贝成像

分辨极限（受制于光刻光源）：阿贝极限—阿贝二次成像原理—傅立叶变换—瑞利判据—提升分辨率

5.7 群峦之巅

EUV光刻机

5.8 中国之路

一勤天下无难事！

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