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半导体芯片为什么一定要用硅?

生活在现代社会,没有谁能离得开半导体芯片

半导体芯片真的是上得了厅堂,超级计算机离不开它;也下得了厨房,电饭煲、冰箱里也有它。社会越发展,对半导体芯片的胃口越大,我们国家不仅是石油进口大国,还是芯片进口大国,而且每年进口芯片花的钱超过了石油。

由于芯片太常见了,所以大家往往对它熟视无睹,以为用硅做芯片是理所当然的事。实际上,在半导体材料的大家庭中,除了硅,还有锗、砷化镓、磷化镓,以及铜、铁、锰等金属的氧化物,它们都可以用作半导体,理论上都可以用来制作芯片。

锗,曾经的明星。

在半导体芯片发展的早期,硅只能当配角,锗才是真正的明星:

第一个晶体管是锗晶体管;

第一个集成电路(芯片)是锗芯片;

有一段时间,晶体管市场的主流是锗,硅晶体管销量不及它的零头。

锗金属

硅是如何打败锗成功上位的呢?

在故事开始前,有必要厘清晶体管和半导体芯片的关系。

晶体管有二极管和三极管两种,是半导体芯片的基础零件,晶体管数量的多少是衡量芯片集成度的一个重要指标,也是一个性能指标,晶体管越多,芯片性能越强大,用于最新iPad Pro的A12X集成了100亿个晶体管,而世界上第一个可以运行的CPU芯片包含的晶体管数量只有2250个,是英特尔1971年1月推出的4004,售价200美元。两款芯片的性能差距大家自行心算。

但芯片内不止有晶体管,内部还包含了电感、电容、电阻、布线,它们组成特定功能的电路,并有我们熟悉的名字:CPU(微处理器)、GPU(图像处理器)、NPU(人工智能处理器)、内存等等。

说过晶体管和半导体芯片的关系,接着说硅的上位史。

锗晶体管与诺贝尔奖

二战爆发前的某一天,美国电报电话公司下属的贝尔实验室的两名科学家:沃尔特.布拉顿和约翰.巴丁闲来无事参加了一场讲座。讲座上展示了一小块平板硅玻璃,大家都知道它是一种绝缘体,所以玻璃两端被接上导线并通上电流后,演示用的灯泡没有亮,感觉平淡无奇。但转折来了,演示者接着将导线移到平板的中心,这里被添加了磷等杂质,结果让布拉顿和巴丁几乎跳起来:灯泡亮了,绝缘体硅玻璃变成了导体!

两位科学家仿佛看到一扇奇特的大门在徐徐打开,回去后立即向实验室打报告要求研究这种新的材料。

贝尔实验室让另一名科学家威廉.肖克利和巴丁、布拉顿组成半导体研究小组,三人在1947年研制出了晶体管。

世界上第一个晶体管,图中金属箭头下黄圈处的金属片就是锗金属

这是世界上第一个晶体管,样子非常简陋粗糙:一个小小的金属箭头,插在一块平板锗上。虽然丑丑的,但它能工作,而且一出生就是一副要把真空管送进坟墓的样子:速度比真空管更快,体积比真空管更小,耗电和发热也更少。

因为发明晶体管,肖克利、布拉顿和巴丁分享了1956年诺贝尔物理学奖。

科学大师创业失败

晶体管发明的故事并不是大团圆结局,肖克利不久就离开了贝尔实验室。辞职的原因据说是,肖克利不满意贝尔实验室将发明晶体管的主要功劳放到布拉顿和巴丁头上。真正的原因,其实是肖克利看到了晶体管未来的巨大商业价值,科学大师想要名利双收,于是出走贝尔实验室,创业生产硅晶体管。

肖克利参与发明的不是锗晶体管么,为什么创业却选择做自己毫无经验的硅晶体管?而且,当时贝尔实验室对外授权晶体管专利后,各晶体管生产商都是生产锗晶体管。肖克利逆潮流而动做硅晶体管简直给人匪夷所思的感觉。

威廉.肖克利在诺贝尔奖庆功会上,右三坐着端酒杯者为肖克利

必须承认,肖克利在贝尔实验室是出了名的脾气臭、为人傲慢,眼光却非常锐利,他认为硅终将代替锗成为晶体管的未来。理由很简单,硅是地壳中第二丰富的元素,占地壳总质量的26.4%,而锗是一种稀有元素,在地壳中的含量仅为一百万分之七,锗矿分布还非常分散。由于锗非常稀少,也是人类较晚发现的元素,1885年才被德国化学家文克勒发现。

含量少,分布不集中,导致锗的原材料成本居高不下。锗贵,则锗晶体管也便宜不到哪儿去,意味着很难大规模生产。不能大规模生产,还赚什么大钱?

锗还有一个短板,就是难以提炼到足够的纯度,纯度不够就意味着晶体管性能低下。

锗所有的先天不足都是硅的先天优势,只是当时还没有人成功制作出硅晶体管,空白就意味着巨大的市场机会。

从后来的发展趋势看,肖克利比拿着望远镜还看得准。可惜的是,科学大师没有成功转型为企业家,肖克利本人没有完成硅替代锗的宏愿,他创业失败,后半生的舞台是斯坦福大学的讲台。

实现硅替代锗的,是背叛他的八个下属。

押宝硅晶体管

肖克利离开贝尔实验室后,在斯坦福大学附近创办了肖克利半导体实验室,由于管理属于白痴水平,经常用测谎仪测试博士属下们的忠诚度,不到两年,八名骨干被逼的集体跳槽,公司一个硅晶体管也没能生产出来。肖克利气得大骂他们是“八个叛徒”。

这八个人被肖克利骂做八叛徒,其中有英特尔、AMD的创始人

“八个叛徒”创办了仙童半导体公司。当时,锗晶体管是晶体管市场的绝对主流,1957年美国制造了近3000万个晶体管,硅晶体管仅有100万个,锗晶体管有近2900万个。德州仪器凭借20%的市场份额,成为晶体管市场的巨头。

市场上最大的客户美国政府和军方,他们想将芯片大量运用在火箭和导弹上,增大宝贵的发射负荷,提高控制终端的可靠性。但晶体管也将面临高温、剧烈振动导致的恶劣工作环境。

在温度方面,锗首先败下阵来:锗晶体管能耐受的温度只有80℃,而军方的要求是在200℃也能稳定运行。能扛住这个温度的,也只有硅晶体管了。

于是,八个叛徒们将宝押在了硅晶体管上,还押上了八个人的未来:如果硅晶体管顺利投产并大卖,每个人总价值500美元的股票将大幅升值。当然,如果赌输了,八个叛徒就只能给别人打工了。

2年升值500倍

成立半年后,仙童公司发明了制造扩散型硅晶体管的“平面处理工艺”,具体流程是这样的:

首先,手工画出布局图,图有时大到能占一面墙,然后把图拍摄下来,缩小成一张小小的透光片,透光片往往有两道三张,每张代表一层电路;

其次,在切片打磨光滑的硅片上涂上一层感光材料,用紫外线/激光将透光片上的电路图案投射到硅片上;

第三,透光片上黑暗部分的区域和线条会在硅片上留下未曝光的图案,用酸液清洗这些没有曝光的图案,然后加入半导体杂质(扩散技术),或者镀上金属导体;

第四,对每张透光片重复上面三个步骤,可以在硅晶圆上得到大批晶体管,由女工在显微镜下切割后连接上导线,然后封装、测试、出售。

仙童公司的“平面处理工艺流程”把硅晶体管的制造变得像印书一样简单、高效,价格还非常便宜。

仙童半导体公司

随着仙童公司的扩散型硅晶体管大量上市,晶体管开始告别锗时代,仙童公司实现6个月盈利,从名不见经传的小公司,跃升为可以和德州仪器这样的巨头肩并肩的半导体新贵。八个叛徒手中总值500美元的股票卖出了25万美元的高价,升值500倍,用时2年。其中的戈登.摩尔(大名鼎鼎的摩尔定律提出者)用这笔钱还清了买房欠下的债务。

锗晶体管的终结者

但真正完全终结锗晶体管的,还是集成电路(俗称芯片)的发明。德州仪器和仙童公司同时发明了集成电路,但技术路线不同,德州仪器用的是锗晶片,仙童公司一如既往地用硅晶片。

两家公司在集成电路的专利上打了多年官司,后来和解,专利局承认两家公司同时拥有集成电路发明专利。但仙童由于工艺先进,成为集成电路的标准工艺并沿用至今,公司的两位主管戈登.摩尔和罗伯特.诺伊斯后来辞职,创办了英特尔公司。

英特尔创始人罗伯特.诺伊斯(左)和戈登.摩尔曾是“八叛徒”成员

在创业生长的道路上,英特尔公司先后击败德州仪器、摩托罗拉IBM等巨头,成为半导体存储(后拱手让给日本人)和CPU领域王者。英特尔是力推硅芯片的,随着英特尔成为行业霸主,硅也彻底终结锗,成为芯片的基础材料,硅芯片就等于半导体芯片。

锗虽然退出芯片领域,但仍然是一种重要的半导体材料,在半导体元器件、传感器、太阳能电池等领域,重要而独特的地位依然不可替代。

可以说,硅打败锗的上位过程,既有两种材料物理、化学性质差异的原因,更是科技后生晚辈成功挑战行业巨头的结果,同时确立了硅谷高科技企业的游戏规则:技术路线走对了就是高回报,反之就是高风险。

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