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電子元器件發展史

2020-10-22

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電子元器件發展史其實就是一部濃縮的電子發展史。

電子技術是十九世紀末、二十世紀初開始發展起來的新興技術，二十世紀發展最迅速，應用最廣泛，成為近代科學技術發展的一個重要標誌。

第一代電子產品以電子管為核心。

　

1883年，愛迪生為了尋找電燈泡的最佳燈絲材料，在真空燈泡內部的碳絲附近放了一節銅絲希望能夠阻止碳絲蒸發。

雖然失敗了，但他無意發現沒有連接在電路中的銅絲卻因為接收到碳絲髮射的熱電子產生了微弱的電流。

雖然愛迪生沒有去細心研究這個現象，但卻為此申請了專利「愛迪生效應」。

1904年，世界上第一隻電子管在英國物理學家弗萊明的手下誕生了，弗萊明為此獲得了這項發明的專利權。

人類第一隻電子管的誕生，這隻二極體使得「愛迪生效應」產生了實用價值，標誌著世界從此進入了電子時代。

1907年，美國發明家德福雷斯特在二極體燈絲和板極之間巧妙地加入了一個柵板，成就了世界上第一隻電子三極體。

從此以後，這種被封在「小玻璃瓶」中的電子元器件被廣泛運用於各種電子產品領域。

電子管的問世推動了無線電子產業的發展，在60年代左右西方國家的無線電工業年產10億隻電子管，其廣泛應用於通訊領域和家庭娛樂領域，將新聞、文藝節目和音樂等播送到千家萬戶。

在60年代以前，電子管在電視機、收音機以及擴音機等電子產品中處於無可取代的地位，並且電子管在音響領域一直占有統治地位，它不僅僅應用於放大器，也應用於各種音響設備中。

電子管的統治時代歷時40餘年，其實並不算長，不可否認電子管笨重、能耗大、壽命短、噪聲也很大，另外加之製造工藝也相當複雜，容易在一些設備上出現不穩定造成高故障率，所以人們一直在尋找新的電子器件來取代它。

電晶體誕生，固體電子技術時代到來。

　

電晶體的發明，最早可以追溯到1929年，當時工程師丁.利連費爾德（Julius Lilienfeld）就已經取得一種電晶體的專利。

但是，限於當時的技術水平，製造這種器件的材料達不到足夠的純度，而使這種電晶體無法製造出來。

1947年12月，美國新澤西州墨累山的貝爾實驗室里，3位科學家——威廉·肖克利（William Shockley）、約翰·巴頓（John Bardeen）和沃特·布拉頓（Walter Brattain）成功地在貝爾實驗室研製出一種點接觸型的鍺電晶體,改變了人類的歷史。

J.巴丁和W.H.布拉頓於1948年6月17日提出了專利申請，並在1950年10月3日獲得美國第2524035號專利。

但點接觸型的鍺電晶體噪聲較大，放大倍數有限，也不能控制較高功率，阻礙了它的使用範圍。

到了1950年，William Shockley開發出雙極性接面電晶體（bipolar junction transistor），為此，他獲得了美國第2569347號專利，其他改進還包括用矽代替鍺。

現在的電晶體，大部分仍是這種面結型電晶體，也就是現在俗稱的電晶體。

電晶體之父,威廉·肖克利,William Shockley

在點接觸型電晶體開發成功的同時，結型電晶體論就已經提出，但是直至人們能夠製備超高純度的單晶以及能夠任意控制晶體的導電類型以後，結型電晶體材真正得以出現。

1954年，結型矽電晶體誕生。

此後，人們提出了場效應電晶體的構想。

第一款採用電晶體技術，並商業化裝置於1953年上市，竟然是一款助聽器。

1955年，高純矽的工業提煉技術已成熟，用矽晶片生產的電晶體收音機也問世。

正因第一個電晶體是在聖誕節前夕發明的，而且對人們的生活發生如此巨大的影響，所以被稱為「獻給世界的聖誕節禮物」。

因此,這3位科學家共同榮獲了1956年諾貝爾物理學獎。

1956年，當3位發明家榮獲諾貝爾獎時，他們的科技成果正闊步走進世界億萬人民的家庭，應用在電視機、收音機、高保真音響等設備里。

從歷史的角度來看電晶體發明具有革命的意義，它代表著固體電子技術時代的到來，進而推動了全球範圍內的半導體電子工業。

作為主要部件，它及時、普遍地首先在通訊工具方面得到應用，並產生了巨大的經濟效益。

由於社會發展的需要，電子裝置變的越來越複雜，這就要求了電子裝置必須具有可靠性、速度快、消耗功率小以及質量輕、小型化、成本低等特點。

由於電晶體徹底改變了電子線路的結構，集成電路以及大規模集成電路應運而生，這樣製造像高速電子計算機之類的高精密裝置就變成了現實。

第一代集成電路應運而生。

英國雷達研究所的科學家達默，他在1952年的一次會議上提出：可以把電子線路中的分立元器件，集中製作在一塊半導體晶片上，一小塊晶片就是一個完整電路，這樣一來，電子線路的體積就可大大縮小，可靠性大幅提高，這就是初期集成電路的構想。

在電晶體發明十年後的1958年，9月12日，基爾比研製出世界上第一塊鍺集成電路，成功地實現了把電子器件集成在一塊半導體材料上的構想，並通過了德州儀器公司高層管理人員的檢查。

這一天，集成電路取代了電晶體，為開發電子產品的各種功能鋪平了道路，並且大幅度降低了成本，開創了電子技術歷史的新紀元。

2000年已77歲高齡的基爾比因為發明集成電路而獲得當年的諾貝爾物理學獎。

傑克基爾比(Jack S. Kilby) 集成電路之父

1958年，34歲的傑克·基爾比（Jack Kilby）加入德州儀器公司。

說起當初為何選擇德州儀器，基爾比輕描淡寫道：「因為它是惟一允許我差不多把全部時間用於研究電子器件微型化的公司，給我提供了大量的時間和不錯的實驗條件。

」也正是德州儀器這一溫室，孕育了基爾比無與倫比的成就。

1959年7月，另一位科學界和商業界的奇才羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）研究出一種二氧化矽的擴散技術和PN結的隔離技術，並創造性地在氧化膜上製作出鋁條連線，使元件和導線合成一體，從而為半導體集成電路的平面製作工藝、為工業大批量生產奠定了堅實的基礎。

與基爾比在鍺晶片上研製集成電路不同，諾伊斯把眼光直接盯住矽-地球上含量最豐富之一的元素，商業化價值更大，成本更低。

自此大量的半導體器件被製造並商用，風險投資開始出現，半導體初創公司湧現，更多功能更強、結構更複雜的集成電路被發明，半導體產業由「發明時代」進入了「商用時代」。

羅伯特諾伊斯(Robert Noyce)：科學、商業雙料巨人

當然在這個「商用時代」還誕生了諾伊斯最大的成就：1968年諾伊斯離開了曾經有半導體行業「黃埔軍校」之稱的-仙童(Fairchild)公司(孕育出包括英特爾、AMD、美國國家半導體等當今半導體行業著名公司)與戈登-摩爾、安迪-格羅夫同創建了英特爾(Intel)。

圖：2011.12.12 ,google更改了首頁以紀念羅伯特•諾伊斯誕辰84周年

1960年，H H Loor和E Castellani發明了光刻工藝。

光刻生產的目標是根據電路設計的要求，生成尺寸精確的特徵圖形，並且在晶圓表面的位置正確且與其它部件（parts）的關聯正確。

光刻確定了器件的關鍵尺寸。

小規模集成電路於1960年出現，在一塊矽片上包含10-100個元件或1-10個邏輯門。

1962年，美國RCA公司研製出MOS場效應電晶體。

與雙極集成電路相比，MOS集成電路的功耗低、結構簡單、集成度和成品率高，但工作速度較慢。

由於它們各具優劣勢，且各自有適合的應用場合，雙極集成工藝和MOS集成工藝便齊頭平行發展。

1964年，英特爾（Intel）創始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）「摩爾定律」——當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。

這種趨勢已經持續了超過半個世紀，2013年底開始放緩。

圖：電晶體數目的增長曲線符合摩爾定律

1966年：美國無線電公司（Radio Corporation of America）研製出CMOS集成電路，並研製出第一塊門陣列（50門），成為中規模集成電路（Medium Scale Integration：MSI），為現如今的大規模集成電路發展奠定了堅實基礎，具有里程碑意義。

隨著集成電路的集成度提高，功耗問題日益突出，普通MOS工藝已不能滿足大規模和超大規模集成系統製造的需要，1963年，F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技術。

雖然CMOS工藝比NMOS工藝複雜，早期的CMOS器件性能也較差，但CMOS器件的功耗極低，集成度也高。

今天，95%以上的集成電路晶片都是基於CMOS工藝。

在半導體發展史上，集成電路的出現具有劃時代的意義：它的誕生和發展推動了銅芯技術和計算機的進步，使科學研究的各個領域以及工業社會的結構發生了歷史性變革。

憑藉卓越的科學技術所發明的集成電路使研究者有了更先進的工具，進而產生了許多更為先進的技術，這些先進的技術又進一步促使更高性能、更廉價的集成電路的出現。

集成電路從小規模集成電路迅速發展到大規模集成電路和超大規模集成電路，從而使電子產品向著高效能低消耗、高精度、高穩定、智能化的方向發展。

大規模集成電路和超大規模集成電路

1971年，Intel推出1kb動態隨機存儲器（DRAM），標誌著大規模集成電路出現。

1971年，諾伊斯所在的Intel採用MOS工藝成功地在一塊12平方毫米的晶片上集成了2300個電晶體，製成了一款包括運算器、控制器在內的可編程序運算晶片，也就是我們現在所說的中央處理單元(CPU)，又稱微處理器，這也是世界上第一款微處理器——4004。

圖：4004 CPU

1974年，美國無線電公司（Radio Corporation of America）推出第一個CMOS微處理器1802，是8位微處理器。

它擁有16個16位的寄存器文件，可以使用SEP指令，能夠設置任何一個寄存器成為程序計數器。

RCA 1802是應用在太空中的第一款處理器，也被認為是第一塊抗輻射微處理器。

20世紀70年代這款處理器被應用在探測器和衛星中，其中包括了著名的Viking、Galileo和Voyager，它的低功耗和高可靠性，可以在超出地球大氣層的苛刻條件下運行。

Voyager 1中使用了3顆1802處理器，現在距離地球102英里，是距離地球最遠的人造項目，它已經離開我們的太陽系很久，正朝著星際空間前行。

被用於「旅行者1號」太空探測器中。

同年，Intel也推出了第二處理器8080——世界上第一種8位的微處理器，作為代替電子邏輯電路的器件被用於各種應用電路和設備中。

第二代微處理器均採用NMOS工藝，集成了約9000個電晶體，平均的指令執行時間為1祍～2祍，採用彙編語言、BASIC等語言編程，用於單用戶作業系統。

1976年，16kb DRAM和4kb SRAM問世

1978年：64kb動態隨機存儲器誕生，不足0.5平方厘米的矽片上集成了14萬個電晶體，標誌著超大規模集成電路（VLSI）時代的來臨。

1978年Intel公司生產出了第一款16位微處理器8086，它是第三代微處理器的起點。

8086的最高主頻速度為8MHz，具有16位數據通道，內存尋址能力為1MB。

同時Intel還生產出與之相配合的數學協處理器i8087，這兩種晶片使用相互兼容的指令集。

這些指令集統一稱為x86指令集。

Intel公司以後生產的CPU都兼容原來的x86指令。

1979年：Intel推出5MHz 8088微處理器，8086和8088在晶片內部均採用16位數據傳輸，所以都稱為16位微處理器。

8088的工作頻率有6.66MHz，7.16MHz和8MHz幾種，集成了大約29 000個電晶體。

1981年美國IBM公司將8088晶片用於研製的個人計算機(PC)中，推出全球第一台PC，個人計算機的概念開始在全世界範圍內發展起來。

從8088應用到IBM PC機上開始，個人計算機開始走進了人們的工作和生活，它也標誌著一個新時代的開始。

圖：16位微處理器時代的標誌--「80286」

1981年：256kb DRAM和64kb CMOS SRAM問世。

1984年，賽靈思發明第一塊FPGA（現場可編程邏輯門陣列），可以自行定義模式，改變了傳統集成電路的開發和驗證的模式，為IC無廠模式開發提供了基礎。

相比ASIC更快速、靈活的開發特性，使其得到越來越多的青睞。

1985年：Intel公司已經成為了一流的晶片研製公司，10月17日Intel正式發布了劃時代的產品——80386DX，該款CPU內部包含27.5萬個電晶體，時鐘頻率為12.5MHz，後來逐步提高到20MHz，25MHz和33MHz，最後還有少量40MHz的產品。

80386DX的內部和外部數據總線是32位的，地址總線也是32位的，這標誌著CPU進入了32位微處理器時代。

由於32位微處理器的強大運算能力，PC的應用擴展到很多領域，如商業辦公和計算、工程設計和計算、數據中心、個人娛樂等領域。

80386使32位CPU成為了PC工業的標準。

圖：32位微處理器時代的標誌--「80386DX」

1993年隨著集成了1000萬個電晶體的16M FLASH和256M DRAM的研製成功，進入了特大規模集成電路ULSI (Ultra Large-Scale Integration)時代。

至今整個晶片仍然處於ULSI階段，並將向巨大規模集成電路GLSI過度。

1999年，全球半導體市場出現轉折，從相對飽和的PC戰場轉向應用更廣闊、更樂觀的消費電子市場，半導體公司不斷開闢新的紅海，一批IC設計新貴同時誕生，蝴蝶效應帶動了汽車、醫療、便攜等眾多新興領域的發展。

同時期，納米技術逐步走向市場，帶來了更多可能。

圖：1959年，「納米技術」首次出現在物理學家理察·費曼《在底部還有很大空間》的演講中。

隨著產業分工不斷細化，集成電路行業可分為集成電路設計、製造、封裝及測試等子行業。

至今進入21世紀以來，除了傳統的3C市場外，物聯網、無人駕駛、智能家居、大數據、人工智慧、機器人（300024）、VRAR、可穿戴等新興市場嶄露頭角，對集成電路催生出新的需求。