不久, 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结,在光照下会产生一个电压,这就是后来人们熟知的光生伏特效应,这是被发现的半导体的第二个特征。
在1874年,德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关,即它的导电有方向性,在它两端加一个正向电压,它是导通的;如果把电压极性反过来,它就不导电,这就是半导体的整流效应,也是半导体所特有的第三种特性。同年,舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。
1873年,英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应,这是半导体又一个特有的性质。 半导体的这四个效应,(jianxia霍尔效应的余绩——四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了,但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。
很多人会疑问,为什么半导体被认可需要这么多年呢?主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料,很多与材料相关的问题就难以说清楚。
半导体于室温时电导率约在10ˉ10~10000/Ω·cm之间,纯净的半导体温度升高时电导率按指数上升。半导体材料有很多种,按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。除上述晶态半导体外,还有非晶态的有机物半导体等和本征半导体。
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。
事实上,碳基半导体晶体管最先是由美国与荷兰科学家在1998年制造出来的,截止到2006年之前,我国在碳纳米管晶体管上并没有明显的建树。可以说,我国对碳纳米管晶体管的研究开始于2000年,7年之后才制备出了性能超越硅晶体管的N型碳纳米管晶体管。由此可知,国外的碳纳米管晶体管的研究要比我们早的多,但是到了今天我们与国外的差距远没有硅晶体管那么大,甚至有超越国外的趋势。
总体而言,国外对碳纳米管晶体管的研究,还是比我们要领先的。在2013年,MIT研究团队发表了由178个晶体管组成的只能执行简单指令的碳纳米管计算机。在2019年,MIT团队已能制造完整的由14000个碳纳米管晶体管组成的处理器了。而国内于2017年制造了基于2500个碳纳米管晶体管的处理器,整体性能相当于因特尔4004的水平。至于在2019年国内是否研发出了集成更多碳纳米管晶体管的处理器,目前尚未有报道。
由于碳纳米管较容易聚合在一起,所以MIT团队利用了一种剥落工艺防止碳纳米管聚合在一起,以防晶体管无法正常工作。要知道MIT团队制造的CPU主频只有1Mhz,早期的80386处理器的频率还有16Mhz,也不是说2019年碳纳米管制造的计算机性能,仅相当于1985年制造的硅晶体管处理器的性能,这差距就太大了。离实用化,还有较长的一段路要走。因为碳纳米管晶体管之间的沟道和碳纳米管晶体管的体积过大,导致碳纳米管晶体管可以容纳的电流较小,容纳得电荷较少。MIT制造的由14000个碳纳米管晶体管组成的处理器中的沟道宽度为1.5微米,与现在纳米级相距较远。也只有缩小碳纳米管晶体管的体积和减小沟道的距离,才可以提升整体性能。
但是国内于2017年,就研制出了栅长为5纳米的碳纳米管晶体管,近日又研发出了栅长3纳米的碳纳米管晶体管。可以说,国内在碳纳米管晶体管的小型化上走的比较远。在2007年左右,国内以碳纳米管晶体管制造的处理器主频就高达5Ghz,要比国外2019年制造等我处理器主频高的多。从国外的相关产品来看,其碳纳米管栅长究竟达到了何种地步,也说不准。只不过,由此可知,在碳纳米管的研发上,国内技术最起码不会差国外技术太多,很有可能是同步发展的。
【碳基半导体芯片真的能够助力我国芯片突破西方禁锢?从此不依赖ASML吗?】
我们应该看到了近期的新闻,2020年5月26日,北京元芯碳基集成电路研究院宣布,解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈! 该消息一出,瞬间引起了我们的关注,于是我们扎堆的认为, 碳基半导体芯片一定能够助力我国芯片的突破,打破西方禁锢?从此不依赖ASML。
了解现状——西方国家垄断的是硅基材料,而这些硅基材料在我国,我们的优势非常的低;一些关键性的材料还是倍国家技术给垄断的。而此时,我们想要打破束缚,就必须要寻找新的思路,于是出现了我们期待的:碳基半导体能否替代未来的硅基材料呢?
其实,有专家表示,北由于碳分子结构稳定,很难像硅材料一样通过掺杂其他物质改变性能。因此,碳纳米管要实现产业化,尚有很长一段路要走。不过,如今,北京元芯碳基集成电路研究院的突破确实给了我们很大的希望。
碳基半导体具有成本更低、功耗更小、效率更高。如果能够打破硅基半导体材料的束缚,走出一条全新的碳基半导体路,我们的芯片发展可能更有意义。
其实,以碳纤维(织物)或碳化硅等陶瓷纤维(织物)为增强体,实际上,我们熟知的石墨烯,生物碳以及碳纳米管等等都属于碳基材料。因此,想要碳基材料真正的运用与我们的实际,确实还是有一段路走,可是我们也已经进了一步了。
在芯片处理中, 碳基技术芯片 速度提升,功耗降低,未来更能够运用于多种领域,比如国防,气象,以及我们现在急需要解决的手机芯片,计算机芯片问题。这里我们得知道,相比国外技术, 我国对于碳基技术研究时间早,目前的技术是基于二十年前彭练矛院士提出的无掺杂碳基CMOS技术发展而来。
因此,我们不担心倍国外的技术给限制,因为我们的技术具有前瞻性,确实我们的芯片技术目前还是受限制,特别是ASML的光刻机,因为缺乏技术,在工艺制程方面受到制约。
因此,我们猜测的是,碳基材料未来很有可能打破ASML光刻机的束缚,打破欧美国家芯片的束缚,打造属于我们的芯片技术。
谢谢您的问题。碳基芯片在全球范围内还在朝量产迈进。
碳基芯片目前处于实验室阶段。 IBM和英特尔已经碳基在理论进行了多年的 探索 ,英特尔无果而放弃。IBM与英特尔退而求其次,用的是“掺杂”工艺制备碳纳米管晶体管。在国内,彭练矛和张志勇教授团队在半导体碳碳基半导体材料制备方面取得了研究重大进展,已经领先于全球,但也只是朝产业化进一步迈进。
实验室的成果离现实还很远 。全球碳基芯片真正要实现落地、商品化,除了雄厚的资金,必须要有现有的芯片兼容,直接借用现有半导体产业流程工艺,就可以大大加快碳基芯片产业化进程。
碳基技术需要企业参与 。北京碳基集成电路研究院以前在碳基技术上走在了前列,未来10年发展至少需要20亿元研发投入,这需要企业产研对接,需要企业认识其中的价值。阿里巴巴、腾讯都计划投入数千亿元用于新基建,参与到云服务和芯片全线布局,希望这样的 科技 龙头企业参与“碳基”集成电路,有助于缩短国内碳基技术的商用时间,站在全球视角, 科技 企业及早介入非常重要。
欢迎关注,批评指正。
首先,国外的研究并没有啥进展,因为没有企业投钱,高通的芯片利润这么高,谁会把大把的钱投到一个还不知道成不成功的项目上?
处于 探索 期,技术还远不成熟,距成熟产品路还很远。
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