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【半导体那点事】计算机、晶体管初问世

时间:2023-10-12 11:32:32 浏览:636

半导体产业已经成为全球市场中最大产业之一,企业媒体纷纷把目光投向了半导体的下一个发展地。而每一次的技术革命都会增加对智能设备的需求,半导体的重要性变得更加明显。

虽然人们对半导体产品比较熟悉,但是人类对半导体的变迁史缺未必知晓,接下来的内容,你将会了解到计算机和半导体是如何诞生和发展的。

欲望让计算机诞生的脚步加快

从家庭到社会,人类一直在探索如何简化日常活动,技术设备的不断升级成为了科学家关注的焦点。人类欲望的不断攀升,促使了简单机器的不断升级,更加能方便人类的生活。

计算机的前身:分析机

从古至今,人类从未停止对机器的发明,1871年查尔斯·巴贝奇(Charles Babbage)的分析机就是最具代表性的发明,也是现用计算机最原始的前身,只要在分析机(Analytical Engine)插入名为穿孔卡片(Punched card/Punch card)的输入信息载体,就可以进行任何数学运算:分析机读取穿孔卡片的指令后,反复进行各种数学运算,最后在机器的另一头输出其结果值。就跟红白机(Famicom)的运作原理一样,想玩什么游戏,就插什么游戏卡。

虽然分析机并没有最终完成,但是却给当时的发明家们不少的启发,分析机已经具备了当代计算的设计思想,输出设备和穿孔卡片相当于现在的存储器。严格意义上来讲,分析机是CPU的雏形。

分析机是用蒸汽作为动力源,是一台用金属和木材制作存储器和CPU,并用蒸汽作为驱动的“计算机”,但是并没有和电路挂钩。因此当时并没有掀起多大的风浪。

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电力作为驱动

以电路为基础的计算机设备,可以更快更有效的控制信号,比蒸汽驱动更加先进。比蒸汽驱动为例,蒸汽必须达到一定的水平,才可以推动机器运转,蒸汽驱动反应较慢,设备成本较高,占地面积更大,效率较低。如果以电力为驱动,只需一个按钮就足够了,机器的体积也随之变小,反应速度和效率都大为提升。


数字积分计算机

电的出现让当时的人类萌生出以电控制计算机的想法,很多科学家开始尝试用电驱动计算机。其中电子数字积分计算机(ENIAC,Electronic Numerical Integrator and Computer)就是这一尝试的成果,ENIAC采用了真空电子管和各种电路来驱动计算机。从“真空电子管”这一名称就不难看出,ENIAC的动力源正是电力。

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ENIAC的问世解决了当时不少的问题,相比于慢悠悠运作的齿轮,ENIAC也算是破天荒的运算速度了;但是弊端也非常明显,ENIAC体积庞大,大概占据了一个房间的面积,如此巨型的计算机,耗电量有达到了惊人的170KW,在当时的环境,如果想普及ENIAC,还有一段非常远的路要走。

世界在呼唤科学家们进一步的创新,此时晶体管出现了。


晶体管初问世


上文说道ENIAC采用了真空电子管,那这些电子元件的作用是什么呢?当时,人们已经明白只要能控制信号就可以制成运算机器。电驱动自动门作为蒸汽驱动的升级版,其运作原理也是一样,利用开关来控制流入引擎的电流,以此来完成对门的操作。


归根结底,其实计算机就是在蒸汽自动门的基础上,增加了大量的输入和输出,然后在其内部安装数千个输送管,连接形成各种复杂的逻辑结构。蒸汽自动门只有开门和关门的作用,但试想一下,在此基础上,还可以进一步延伸,比如用一根粗绳同时开两扇门,或设计一款人站在门口时不会关闭的安全门等。以此类推,计算机就是在蒸汽自动门的基础上,不断叠加升级的功能。“粗绳”和“蒸汽输送管”就相当于真空电子管。

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当时,真空电子管是人类找到的最好的替代方案。它由电力驱动,没有像高压锅炉爆炸那样的危险,且运作速度也达到了每秒数十次。当然,真空电子管的缺点就是庞大的耗电量,因此个别真空电子管会经常损坏。为了制造更好的计算机,就要寻找比真空电子管更胜一筹的元件。


1947年,晶体管诞生。晶体管可以用微小的电量控制大量电流的流动,可谓是颠覆性的创造。科学家发现,只要使用以下两种半导体元件,就可以轻而易举地连接或断开信号(参见下图)。尽管其结构有些复杂,但原理却跟用粗绳控制蒸汽输送的道理一样。同年科学家还发明了一款名叫 BJT(双极结晶性晶体管)的产品,一直沿用至今。当然,晶体管的问世,也让半导体这一材料开始映入人们的眼帘。

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MOSFET的创新与创造技术


1959年,贝尔研究所的研究员姜大元(Dawon Kahang)博士和默罕默德·阿塔拉(Mohamed M. Atalla)博士共同发明了一种金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET,Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor)MOSFET晶体管在硅晶圆上形成两种半导体层,并在此之上堆叠金属制成了平面型的晶体管,其最大的亮点就是生产效率得到了提升。

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从图中可以看出MOSFET是一种平面结构,得益于这种结构,工程师可以再硅晶圆上制造出很多个MOSFET,如果体积控制的好,那在相同面积的晶圆上可以多镶嵌数十倍的晶体管,还可以直接把单个的MOSFET连接在一起。假设采用BJT晶体管制作CPU,即使BJT的制作过程再高效,想把数亿根BJT连接成CPU,仍然需要重复焊接以及将其固定在基板上的过程。相反,MOSFET可以一次性达到数亿根晶体管结合好的状态。正因为如此,“在硅晶圆上形成的MOSFET集合”在物理学上被“剥夺”了“半导体”的头衔。

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