半导体( semiconductor)，指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。如二极管就是采用半导体制作的器件。半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

发展历史

半导体的发现实际上可以追溯到很久以前。

1833年，英国科学家电子学之父法拉第最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。

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。

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。

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。

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。如果感兴趣可以读一下Robert W.Cahn的The coming of Materials Science中关于半导体的一些说明[2] 。

特点

半导体五大特性∶掺杂性，热敏性，光敏性，负电阻率温度特性，整流特性。

★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。

★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。

特性曲线

伏安特性曲线：加在PN结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线。如图所示：

PN伏安特性 正向特性：u>0的部分称为正向特性。

反向特性：u<0的部分称为反向特性。

反向击穿：当反向电压超过一定数值U(BR)后，反向电流急剧增加，称之反向击穿。

势垒电容：耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容Cb。

变容二极管：当PN结加反向电压时，Cb明显随u的变化而变化，而制成各种变容二极管。如下图所示。

平衡少子：PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子。

非平衡少子：PN结处于正向偏置时，从P区扩散到N区的空穴和从N区扩散到P区的自由电子均称为非平衡少子。

扩散电容：扩散区内电荷的积累和释放过程与电容器充、放电过程相同，这种电容效应称为Cd。

结电容：势垒电容与扩散电容之和为PN结的结电容Cj。

杂质

简介

半导体中的杂质对电阻率的影响非常大。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗(或硅)原子形成共价结合，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢能级。杂质能级位于禁带上方靠近导带底附近。杂质能级上的电子很易激发到导带成为电子载流子。这种能提供电子载流子的杂质称为施主，相应能级称为施主能级。施主能

N型半导体结构图 级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多(图2)。在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗(或硅)原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是杂质能级，通常位于禁带下方靠近价带处。价带中的电子很易激发到杂质能级上填补这个空位，使杂质原子成为负离子。价带中由于缺少一个电子而形成一个空穴载流子。这种能提供空穴的杂质称为受主杂质。存在受主杂质时，在价带中形成一个空穴载流子所需能量比本征半导体情形要小得多。半导体掺杂后其电阻率大大下降。加热或光照产生的热激发或光激发都会使自由载流子数增加而导致电阻率减小，半导体热敏电阻和光敏电阻就是根据此原理制成的。对掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是导带中的电子，属电子型导电，称N型半导体(图3)。掺入受主杂质的半导体属空穴型导电，称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电子-空穴对，故N型半导体中可存在少量导电空穴，P型半导体中可存在少量导电电子，它们均称为少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。

PN结

P型半导体与N型半导体相互接触时，其交界区域称为PN结。P区中的自由空穴和N区中的自由电子要向对方区域扩散，造成正负电荷在PN 结两侧的积累，形成电偶极层(图4 )。电偶极层中的电场方向正好阻止扩散的进行。当由于载流子数密度不等引起的扩散作用与电偶层中电场的作用达到平衡时，P区和N区之间形成一定的电势差，称为接触电势差。由于P 区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合，而N区中的电子向P区扩散后与P 区中的空穴复合，这使电偶极层中自由载流子数减少而形成高阻层，故电偶极层也叫阻挡层，阻挡层的电阻值往往是组成PN结的半导体的原有阻值的几十倍乃至几百倍。

PN结具有单向导电性，半导体整流管就是利用PN结的这一特性制成的。PN结的另一重要性质是受到光照后能产生电动势，称光生伏打效应，可利用来制造光电池。半导体三极管、可控硅、PN结光敏器件和发光二极管等半导体器件均利用了PN结的特性。

PN结的单向导电性

P端接电源的正极，N端接电源的负极称之为PN结正偏。此时PN结如同一个开关合上，呈现很小的电阻，称之为导通状态。

P端接电源的负极，N端接电源的正极称之为PN结反偏，此时PN结处于截止状态，如同开关打开。结电阻很大，当反向电压加大到一定程度，PN结会发生击穿而损坏。

掺杂

半导体之所以能广泛应用在今日的数位世界中，凭借的就是其能借由在其晶格中植入杂质改变其电性，这个过程称之为掺杂(doping)。掺杂进入本质半导体(intrinsic semiconductor)的杂质浓度与极性皆会对半导体的导电特性产生很大的影响。而掺杂过的半导体则称为外质半导体(extrinsic semiconductor)。

掺杂

哪种材料适合作为某种半导体材料的掺杂物(dopant)需视两者的原子特性而定。一般而言，掺杂物依照其带给被掺杂材料的电荷正负被区分为施主(donor)与受主(acceptor)。施主原子带来的价电子(valence electrons)大多会与被掺杂的材料原子产生共价键，进而被束缚。而没有和被掺杂材料原子产生共价键的电子则会被施主原子微弱地束缚住，这个电子又称为施主电子。和本质半导体的价电子比起来，施主电子跃迁至传导带所需的能量较低，比较容易在半导体材料的晶格中移动，产生电流。虽然施主电子获得能量会跃迁至传导带，但并不会和本质半导体一样留下一个电洞，施主原子在失去了电子后只会固定在半导体材料的晶格中。因此这种因为掺杂而获得多余电子提供传导的半导体称为n型半导体(n-type semiconductor)，n代表带负电荷的电子。

和施主相对的，受主原子进入半导体晶格后，因为其价电子数目比半导体原子的价电子数量少，等效上会带来一个的空位，这个多出的空位即可视为电洞。受主掺杂后的半导体称为p型半导体(p-type semiconductor)，p代表带正电荷的电洞。

以一个硅的本质半导体来说明掺杂的影响。硅有四个价电子，常用于硅的掺杂物有三价与五价的元素。当只有三个价电子的三价元素如硼(boron)掺杂至硅半导体中时，硼扮演的即是受主的角色，掺杂了硼的硅半导体就是p型半导体。反过来说，如果五价元素如磷(phosphorus)掺杂至硅半导体时，磷扮演施主的角色，掺杂磷的硅半导体成为n型半导体。

一个半导体材料有可能先后掺杂施主与受主，而如何决定此外质半导体为n型或p型必须视掺杂后的半导体中，受主带来的电洞浓度较高或是施主带来的电子浓度较高，亦即何者为此外质半导体的“多数载子”(majority carrier)。和多数载子相对的是少数载子(minority carrier)。对于半导体元件的操作原理分析而言，少数载子在半导体中的行为有着非常重要的地位。

载子浓度

掺杂物浓度对于半导体最直接的影响在于其载子浓度。在热平衡的状态下，一个未经掺杂的本质半导体，电子与电洞的浓度相等，如下列公式所示：

n=p=ni其中n是半导体内的电子浓度、p则是半导体的电洞浓度，ni则是本质半导体的载子浓度。ni会随着材料或温度的不同而改变。对于室温下的硅而言，ni大约是1×10 cm。

通常掺杂浓度越高，半导体的导电性就会变得越好，原因是能进入传导带的电子数量会随着掺杂浓度提高而增加。掺杂浓度非常高的半导体会因为导电性接近金属而被广泛应用在今日的集成电路制程来取代部份金属。高掺杂浓度通常会在n或是p后面附加一上标的“+”号，例如n代表掺杂浓度非常高的n型半导体，反之例如p则代表轻掺杂的p型半导体。需要特别说明的是即使掺杂浓度已经高到让半导体“退化”(degenerate)为导体，掺杂物的浓度和原本的半导体原子浓度比起来还是差距非常大。以一个有晶格结构的硅本质半导体而言，原子浓度大约是5×10 cm，而一般集成电路制程里的掺杂浓度约在10 cm至10 cm之间。掺杂浓度在10 cm以上的半导体在室温下通常就会被视为是一个“简并半导体”(degenerated semiconductor)。重掺杂的半导体中，掺杂物和半导体原子的浓度比约是千分之一，而轻掺杂则可能会到十亿分之一的比例。在半导体制程中，掺杂浓度都会依照所制造出元件的需求量身打造，以合于使用者的需求。

掺杂对结构的影响

掺杂之后的半导体能带会有所改变。依照掺杂物的不同，本质半导体的能隙之间会出现不同的能阶。施主原子会在靠近传导带的地方产生一个新的能阶，而受主原子则是在靠近价带的地方产生新的能阶。假设掺杂硼原子进入硅，则因为硼的能阶到硅的价带之间仅有0.045电子伏特，远小于硅本身的能隙1.12电子伏特，所以在室温下就可以使掺杂到硅里的硼原子完全解离化(ionize)。

掺杂物对于能带结构的另一个重大影响是改变了费米能阶的位置。在热平衡的状态下费米能阶依然会保持定值，这个特性会引出很多其他有用的电特性。举例来说，一个p-n接面(p-n junction)的能带会弯折，起因是原本p型半导体和n型半导体的费米能阶位置各不相同，但是形成p-n接面后其费米能阶必须保持在同样的高度，造成无论是p型或是n型半导体的传导带或价带都会被弯曲以配合接面处的能带差异。

上述的效应可以用能带图(band diagram)来解释，。在能带图里横轴代表位置，纵轴则是能量。图中也有费米能阶，半导体的本质费米能阶(intrinsic Fermi level)通常以Ei来表示。在解释半导体元件的行为时，能带图是非常有用的工具。

半导体材料的制造

为了满足量产上的需求，半导体的电性必须是可预测并且稳定的，因此包括掺杂物的纯度以及半导体晶格结构的品质都必须严格要求。常见的品质问题包括晶格的错位(dislocation)、双晶面(twins)，或是堆栈错误(stacking fault)都会影响半导体材料的特性。对于一个半导体元件而言，材料晶格的缺陷通常是影响元件性能的主因。

目前用来成长高纯度单晶半导体材料最常见的方法称为裘可拉斯基制程(Czochralski process)。这种制程将一个单晶的晶种(seed)放入溶解的同材质液体中，再以旋转的方式缓缓向上拉起。在晶种被拉起时，溶质将会沿着固体和液体的接口固化，而旋转则可让溶质的温度均匀。

物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等半导体 等。我们通常把导电性差的材料，如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体。而把导电性比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。

本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带(见能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。空穴导电并不是实际运动，而是一种等效。电子导电时等电量的空穴会沿其反方向运动[1] 。它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射(发光)或晶格的热振动能量(发热)。在一定温度下，电子- 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子- 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。

分类

半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导半导体 体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物(砷化镓、磷化镓等)、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体(镓铝砷、镓砷磷等)。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

半导体的分类，按照其制造技术可以分为：集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，但还是按照IC、LSI、VLSI(超大LSI)及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。

集成电路(integrated circuit)是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构;其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比(基于锗(Ge)的集成电路)和罗伯特·诺伊思(基于硅(Si)的集成电路)。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

是20世纪50年代后期一60年代发展起来的一种新型半导体器件。它是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。其封装外壳有圆壳式、扁平式或双列直插式等多种形式。集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术，主要体现在加工设备，加工工艺，封装测试，批量生产及设计创新的能力上。

集成电路，英文为Integrated Circuit，缩写为IC;顾名思义，就是把一定数量的常用电子元件，如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。

为什么会产生集成电路?我们知道任何发明创造背后都是有驱动力的，而驱动力往往来源于问题。那么集成电路产生之前的问题是什么呢?我们看一下1942年在美国诞生的世界上第一台电子计算机，它是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物，里面的电路使用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线，耗电量150千瓦[1] 。显然，占用面积大、无法移动是它最直观和突出的问题;如果能把这些电子元件和连线集成在一小块载体上该有多好!我们相信，有很多人思考过这个问题，也提出过各种想法。典型的如英国雷达研究所的科学家达默，他在1952年的一次会议上提出：可以把电子线路中的分立元器件，集中制作在一块半导体晶片上，一小块晶片就是一个完整电路，这样一来，电子线路的体积就可大大缩小，可靠性大幅提高。这就是初期集成电路的构想，晶体管的发明使这种想法成为了可能，1947年在美国贝尔实验室制造出来了第一个晶体管，而在此之前要实现电流放大功能只能依靠体积大、耗电量大、结构脆弱的电子管。晶体管具有电子管的主要功能，并且克服了电子管的上述缺点，因此在晶体管发明后，很快就出现了基于半导体的集成电路的构想，也就很快发明出来了集成电路。杰克·基尔比(Jack Kilby)和罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)在1958~1959期间分别发明了锗集成电路和硅集成电路[2-3] 。

讲完了历史，我们再来看现状。集成电路已经在各行各业中发挥着非常重要的作用，是现代信息社会的基石。集成电路的含义，已经远远超过了其刚诞生时的定义范围，但其最核心的部分，仍然没有改变，那就是“集成”，其所衍生出来的各种学科，大都是围绕着“集成什么”、“如何集成”、“如何处理集成带来的利弊”这三个问题来开展的。硅集成电路是主流，就是把实现某种功能的电路所需的各种元件都放在一块硅片上，所形成的整体被称作集成电路。对于“集成”，想象一下我们住过的房子可能比较容易理解：很多人小时候都住过农村的房子，那时房屋的主体也许就是三两间平房，发挥着卧室的功能，门口的小院子摆上一副桌椅，就充当客厅，旁边还有个炊烟袅袅的小矮屋，那是厨房，而具有独特功能的厕所，需要有一定的隔离，有可能在房屋的背后，要走上十几米……后来，到了城市里，或者乡村城镇化，大家都住进了楼房或者套房，一套房里面，有客厅、卧室、厨房、卫生间、阳台，也许只有几十平方米，却具有了原来占地几百平方米的农村房屋的各种功能，这就是集成。

当然现如今的集成电路，其集成度远非一套房能比拟的，或许用一幢摩登大楼可以更好地类比：地面上有商铺、办公、食堂、酒店式公寓，地下有几层是停车场，停车场下面还有地基——这是集成电路的布局，模拟电路和数字电路分开，处理小信号的敏感电路与翻转频繁的控制逻辑分开，电源单独放在一角。每层楼的房间布局不一样，走廊也不一样，有回字形的、工字形的、几字形的——这是集成电路器件设计，低噪声电路中可以用折叠形状或“叉指”结构的晶体管来减小结面积和栅电阻。各楼层直接有高速电梯可达，为了效率和功能隔离，还可能有多部电梯，每部电梯能到的楼层不同——这是集成电路的布线，电源线、地线单独走线，负载大的线也宽;时钟与信号分开;每层之间布线垂直避免干扰;CPU与存储之间的高速总线，相当于电梯，各层之间的通孔相当于电梯间……

IC 指集成电路，做在半导体上是因为半导体是最适合实现晶体管的材料，而晶体管正是现在绝大多数电路的核心器件。

不过这里我想多写一点东西，追本溯源从“电路”的开端开始。

物理课上大家都听过麦克斯韦方程预言了电磁波的存在，然后赫兹的实验证明了电磁波存在，最后马可尼实现了无线电通信。

最初的无线电接收机使用的是一类称为“检波器”的装置，然而检波器作为接收机的性能是非常糟糕的。首先它的频率响应很难控制，导致各种乱七八糟的干扰信号都会被触发检波器;另一方面它对信号强度的要求也很高，导致发射端的功率必须非常大。更糟的是当时的发射设备也非常简陋，只有火花塞之类的装置，这种设备只能发送类似方波的信号，而学过信号与系统的都知道方波的频谱有多宽……所以当时的无线电只能通过莫尔斯码交流，调频调幅什么的都是天方夜谭。

为了解决这些问题，人们想了很多的方法，但是除了通过LC谐振电路实现了大功率正弦发生器之外，别的进展都不大。随着这一项改进，到了1907年，人们终于第一次成功实现了AM广播。

然而1907年最重要的进展并不是AM广播，也不是同年发现的LED，而是真空三极管的发明，

这个在灯泡的表亲构成了将来所有电路的基础。

真空三极管的重要性在于这是第一个能够实现放大电路的器件。有了放大电路的加入使得无线通信对于发射机功率的要求一下降低了好几个数量级，同时通信距离也大大增加了。

不过事情当然没有这么简单，真空三极管发明于1907年，但是直到1912年Armstrong (通信电路领域的祖师爷)发明再生接收机之前没有人意识到这个器件的威力。到了1917年Armstrong 终于通过正反馈实现了有实际用途的增益，并在此基础上完成了超外差式接收机，直到今天相当多的RF接收机依然在使用这一结构。

为什么说三极管是放大电路的基础?

中学电路三巨头：电阻、电容、电感都是二端器件，输入端输出端无法分开，必须共享负载。单纯使用这些元件只能组合出分压或是分流电路，而无法放大一个信号。

而有了三极管，输出端与输入端得以分开，可以通过输入端控制输出端信号。再给输入端和输出端分配不同大小的负载，就可以实现大于1的增益。

有了电子管，无线电终于得以真正的实用化。

但是接下来，另一项需求将电路由真空管时代推向了固体电路时代——那就是计算机。

电路领域大致可以分为两大块，一是通信(发射机、接收机)，一是计算(处理器、寄存器)。

大概到了二战的时代，电子管基本上已经可以满足当时的通信需求了。基于电子管的无线电设备虽然昂贵娇气，但是毕竟消耗量不大(Armstrong的超外差接收机只需要5个电子管)，所以大家用着也没觉得有什么问题。

然而二战期间计算需求急剧增加，传统的机械计算机已经不堪重负，电子计算机的需求异常迫切。

接下来大家都知道了，美国人搞出了ENIAC，第一台图灵完全的电子计算机。ENIAC消耗了17000个以上的电子管，代价是重量接近30吨，以及几乎每天都会有损坏的电子管需要替换。

这样的开销显然让人蛋疼，于是寻找一种更小、更廉价、更可靠的器件来代替电子管就成了研究者们的新目标。

实际上金属氧化物晶体二极管早就已经发明了，ENIAC 里也使用了大量的二极管。可惜二极管和电阻电容电感一样，因为是二端器件所以没法单独完成放大或是计算。

在1922年，苏联工程师Losev 利用红锌矿二极管的负阻抗特性成功实现了一个放大电路，可惜由于红锌矿的稀少所以没有实用化。后来据说Losev 曾进行过硅晶体管的研究，不过随后二战爆发，他死于列宁格勒围城战中，相关的研究记录也全部丢失了。

在大洋彼岸，1925年加拿大的Lilienfeld 第一个提出了场效应管(结型场效应管，JFET)的设计理念，提出了在半导体材料上实现类似电子管功能的想法。然而受限与当时的工艺水平，这个想法一直没有实现。

第一个将晶体三极管变为现实的，是巴丁和布拉顿，他们发明了双极晶体管(BJT)，并与发明了P/N结二极管的肖克来一起获得了诺贝尔奖。

最初的双极晶体管是点接触构造的，看过图片就知道这种结构有多蛋疼：

不过一年之后(1948年)，肖克来利用自己在P/N结二极管上的经验，设计了结型构造的双极性晶体管，这一结构立即成了BJT的标准结构，并服役至今。

此后，除了少数特殊领域(高温、大功率……)BJT 迅速取代了电子管，电子计算机的成本和体积都大大减小了。

经历了这一飞跃之后，人们自然会开始想：

由于电子计算机大部分器件都是晶体管组成的逻辑门，而晶体管，都是由半导体材料制造的。自然而然地，人们就会希望把所有晶体管集中在同一块半导体上，而不是制造一堆独立的晶体管再手工连接起来。

接下来的尝试，就是将印刷电路板上做过的事情在半导体上再做一次。不过由于材质和工艺精度的要求，直到1958-1959年，基尔比和诺伊斯才先后实现了集成电路——将晶体管、电阻、电容和导线集成在同一块半导体上。

有点事，剩下的有空再写。

------------据说是更新-----------

第一代的集成电路和第一代晶体管一样，都是锗基电路。

但是锗有一些令人蛋疼的问题：比如热稳定性，比如氧化物不致密，比如界面缺陷很多。这些问题导致锗基电路始终走不出实验室，只能在论文里刷刷存在感。

于是研究者们顺着元素周期表向上爬了一格，看中了硅。

硅和锗一比，简直就是半导体界的模范元素。

热稳定性不错，有着致密、高介电常数的氧化物，可以轻易制备出界面缺陷极少的硅-氧化硅界面，地表含量极大，提纯非常容易……

更妙的是，氧化硅不溶于水(氧化锗溶于水)，也不溶于大多数的酸，这简直是和印刷电路板的腐蚀印刷技术一拍即合。结合的产物，就是延续至今的集成电路平面工艺。

当然，集成电路的工艺精度要求比印刷电路板高了不止一个量级，直接套用印刷电路板的技术自然是不行的。于是集成电路自己发展出了一套光刻-腐蚀(刻蚀)-扩散(注入)-溅射(淀积)的工艺体系，这就是延续至今的集成电路平面工艺。

所谓平面工艺，是因为所有工艺步骤都是对整个硅晶圆表面均匀进行，整个工艺完全是二维图形的操作。

平面工艺制备BJT是有一些困难的：

BJT是PNP(或是NPN)的三层结构，在使用平面工艺制备的时候，如果把三层纵向放，就需要浪费一定的面积给下面两层引出到表面，而且工艺步骤也较复杂。如果三层横向放置，由于BJT的基极(B级)必须非常薄，以当时的光刻和掺杂精度很难实现。

最后工艺界使用的纵向放置来实现BJT，以这个工艺为基础，集成电路进入了TTL(Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑电路)时代。

目前为止最后一次大的变革，是90年代CMOS(互补金属氧化物半导体)取代了TTL占据了市场主流。

CMOS的基础是MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)，前文提到场效应管的历史可以追溯到20年代，但是MOSFET的诞生要等到1960年。新生的MOSFET很快取代了JFET，成为了场效应管的主流。

60年代到90年代，面对如日中天的BJT，MOSFET始终被压制着。主要原因是BJT的电流更大，速度更快，耐压耐击穿更强。虽然MOSFET因为工艺步骤少、占用面积小，所以更便宜一些，但是始终没能占据主流。

不过这将近30年的时间里，集成电路产业跟着戈登·摩尔的预言经历了的疯狂发展。工艺精度每1-2年就要前进一个节点(特征尺寸*0.7)。

随着电路尺寸越来越小，芯片上集成的晶体管越来越多，芯片的功耗和发热已经成了一个非常严峻的问题。这个时候TTL和BJT电路的一个先天劣势就暴露了出来。

BJT本质上，是一个输入电流控制输出电流，实现电流放大的三端器件。由于输入信号是电流，输入信号必须消耗功耗。而且BJT的特性和大量使用的电阻负载和偏置以及较高的工作电压，也使得TTL电路的关断漏电和静态功耗很难抑制。

而MOSFET则不同，场效应管是一个通过输入电压控制输出电流的多端器件，它的输入漏电比BJT要小几个数量级。而且MOSFET的沟道电流要小于BJT(这也是MOSFET速度慢的原因之一)，关断漏电上抑制非常好。最后，CMOS工艺彻底排除了电阻负载，使用PMOS、NMOS互为负载，实现了近乎于0的静态功耗。

CMOS的结构也比TTL更简单，实现成本更低。

功耗和成本上的双重优势，最终压倒了TTL那越来越小的性能优势。CMOS占据了集成电路的主流地位。

再之后的发展，更多的是在CMOS的基础上对材料和结构做一点小修小补(双阱工艺、strain、SOI衬底、HK-MG、FIN-FET)来延续摩尔定律。但是硅衬底和CMOS结构两大基础没有再发生变化。