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014 芯片的诞生

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    观众大喇叭牛哄哄:“等等,我之前有问过晶圆是不是越大越值钱,不过看了前面的介绍,我感觉晶圆越大越难做啊,这样的话为什么要往大尺寸的方向发展呢?都做小的,做多一点不就好了么?”

    江维:

    “首先,晶圆是圆的,芯片是方的。要把晶圆变成芯片,首先就要进行小块切割。

    晶圆片边缘处的一些区域通常无法被利用,当晶圆片的尺寸变大,边缘损失就会越小,从而可以降低芯片成本。

    另外,晶圆片的面积越大,单片晶圆能切出来的芯片数量就越多。

    12英寸晶圆可以使用的面积是8英寸晶圆的2.5倍左右。

    晶圆尺寸越大,单位芯片的成本就越低。为了降低芯片成本,所以厂商们都在纷纷向更大尺寸的晶圆发展。

    2018年全球12英寸硅片的出货面积越占总量的63%,其次是8英寸晶圆,约占26%。

    下一站是18英寸晶圆,但根据估算,一个18英寸晶圆厂的建设成本超过100亿美元,远远超出12英寸晶圆的成本投入,却只能将芯片单位面积的价格降低8%。

    成本效益比较低,所以目前向18英寸转移的速度极慢,几乎停滞中。”

    观众大喇叭牛哄哄:“感谢主播的回答,不过我还有另外一个问题。我刚才百度了一下,最早的点接触型晶体管是立体的,就是3D的。

    但这晶圆不就是一张薄片么?这怎么就从3D变成2D了呢?”

    观众大松饼:“对哦,芯片,芯片,不都是片片么。而且刚才不是说了,基本都是硅这种材料。

    我们以前学中学物理的时候,电路不是有好多材料么,有金属、非金属之类的,电容、电感、导线这些器件,还有今天介绍的晶体管,怎么就全部做到一片硅上了呢?”

    江维把问题发在了群里:“张汝京博士,这个问题你看是你来解释还是……”

    张汝京:【哈哈哈,这是一个很好的问题,这个问题我就不在这里班门弄斧了。咱们群里的诺伊斯和金·赫尔尼,作为集成电路内部连接技术专利所属人是最适合给大家解惑的人选。

    当然,偷着乐.gif,请杰克·基尔比进群给大家介绍也很好,他是集成电路发明专利的所属人,哈哈。】

    江维:呵呵,你个机器人还真是看热闹不嫌事大。

    杰克·基尔比是德州仪器的工程师,1958年他发明了锗集成电路,并于1959年2月申请到专利。

    诺伊斯当时在仙童半导体,1958年晚些时候发明了硅集成电路,到1959年7月才申请到专利,比基尔比完了半年。

    后来因为集成电路的专利问题,这两家没少打官司。

    直到1966年双方才达成协议,经由法院裁定,将集成电路发明专利给了基尔比,集成电路内部连接技术专利给了诺伊斯。

    这个裁定是考虑到一个基本的事实,基尔比的锗集成电路里面只有一个晶体管,谈不上连接技术。

    但这个裁定也变相承认,双方共同享有部分芯片发明专利,得共同对外进行芯片制造授权。

    就在这个时候,聊天群的消息验证又响了。

    江维一看,果然是杰克·基尔比。呵呵,你已经是一个成熟的聊天群,会自己拉人来了。

    将基尔比放了进来,看他们怎么说。

    杰克·基尔比:【大家好啊,老朋友们。】

    江维:“欢迎芯片的共同发明人杰克·基尔比,撒花.gif。”

    基尔比:【不,芯片的共同发明人,这一定是诺伊斯的说法。】

    诺伊斯:【对,我是因为同情你,才将你当做芯片的共同发明人。】

    基尔比:【诺伊斯,那是你个人的看法而已。除了你,没有人会对我是第一个芯片制造者提出疑问。而你只不过第一个做了我想做的事情而已:用蒸发金属来做器件之间的连接。】

    诺伊斯:【呵,tui!你做的那个叫什么鬼的集成电路,不过就是一个面型晶体管加一个电容,再加了几个电阻。就这么几个元件,你集成的是什么个寂寞!】

    基尔比:【呵呵,几个元件也是几个啊,也是集成啊,就靠这个我可是获得了诺贝尔物理学奖,这是官方的认可。】

    诺伊斯:【诺贝尔物理学奖!要不是因为我死的早,这奖应该是我的!】

    基尔比:【诺伊斯,如果你当时还活着,应该是可以和我一起获得这个诺贝尔物理学奖的。同情.gif。】

    诺伊斯:【我不需要你的同情!】

    江维:“诺伊斯,他得奖感言里真这么说过。”

    诺伊斯:【好吧,继续不需要同情!哼!靠个鬼的集成电路,从电气工程师变成物理学家的人。】

    基尔比:【摊手.gif,物理学家真香。】

    诺伊斯:【哈哈大笑.gif,作为英特尔的创始人,我有钱,真香。】

    基尔比:【我又不爱钱,呵呵.gif】

    诺伊斯:【……】

    江维:“别BB了,一群机器人,赶紧干活!把观众的问题给解释了!谁先来!”

    基尔比:【我先来,毕竟我发明集成电路早啊,哈哈哈哈。】

    诺伊斯:【呵呵,有什么好得意的。这事儿你不干我不干,早晚总会有人干出来的。你不过就是早了那么一丢丢。】

    基尔比:【呃,诺伊斯,其实咱们的技术都是源自贝尔实验室不是么。

    1947年我大学毕业,学的是电子工程,毕业后去了全球联通在密尔沃基的中心实验室。

    1952年,我们公司获得了贝尔实验室生产晶体管的专利许可。

    我被派到贝尔实验室做为期两周的技术研讨,在这个过程中我学习到很多晶体管制造工艺和理论知识。

    回到公司后,我组建了三人研发小组,制造了一些晶体管制作设备并作出了晶体管。

    1956年年初,我参加了贝尔实验室的第三次研讨会。这次讨论会的主题,硅基晶体三极管和杂质在晶体中的扩散技术,对我产生了深远的影响。

    第一,使我更加坚信,硅才是半导体未来的方向。但我所在的中心实验室对硅材料并不重视,不愿投入。这导致了我在实验室工作十年后决定跳槽。

    第二,扩散技术,是实现半导体掺杂的关键技术,这项技术至今还是晶体管制造的基础。

    于是,1958年5月,我跳槽去了德州仪器。

    当时的德州仪器是国防部电子设备微型化计划的合作伙伴,公司的阿德科克小组正在为军方做一个叫“微型模块”,即平面电子器件的项目。

    我看到这个项目就在想能不能有更好的解决方案,让电子模块小型化。

    我将微型电路的工艺分为三类:

    第一种方法,把各种器件做成同样大小和形状,使电路连接变得简单。

    第二种,用各种薄膜来制造各种器件,不能用薄膜做的器件后面再加上去。

    第三种,也是更彻底的方法,就是在一种材料中制造出全新的结构,并用它做出一个完整的电路。

    当时我选了第三种方法进行研究,即在一种材料上做出所有的电路器件。

    当时贝尔实验室已经开发出来了扩散技术和物理气相沉淀技术,我认为这两项技术是做出这种微型电路的关键。

    我将这个设想与阿德科克小组的同事说了,他们同意了我的想法,但觉得这件事挺麻烦的,不过还是让我先尝试一下。

    于是我先用硅做出了分立的电阻、电容、二极管和三极管,然后将它们连接成一个触发电路。

    1958年8月28日,这个尝试成功了!

    既然能用单一材料制作这些分立器件,就能将这些器件做到一块材料上!

    当时德州仪器有几种锗器件,能先把金属蒸发在锗管的发射极和基极上,再用刻蚀技术做成接触点然后连接起来。

    我得到了几块这样的锗晶片,所以着手用锗进行集成电路的制作。

    两周后我做了三块这样的电路,1958年9月12日我们的实验获得了成功,现代电子工业第一个用单一材料制造的芯片就这样诞生了。】