硅适合做半导体材料的原因,硅为什么能成为广泛的半导体材料

首页 > 经验 > 作者:YD1662024-02-13 16:48:19

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”。

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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:

仙童公司的“平面处理工艺”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。

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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。

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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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