晶片發展簡史

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來源：本文編譯自techtarget，謝謝。

半導體是現代科技的基礎，廣泛應用於汽車、筆記型電腦、醫療裝置和智慧手機等日常電子裝置中。

半導體是一種材料，通常指矽，它可以作為導體或絕緣體，是計算機和其他電子裝置的基礎。該術語現在廣泛用於積體電路。

使電流流動的物質稱為導體，而減少電流流動的物質稱為絕緣體。半導體介於導體和絕緣體之間，其特性介於導體和絕緣體之間。半導體可以在需要時阻斷和傳導電流，就像一個開關。

近幾十年來，隨著智慧手機和計算機等技術的發展，半導體的重要性日益凸顯。隨著科技擴充套件到現代生活的各個領域，全球經濟越來越依賴於先進晶片的穩定供應。隨著人工智慧、電動汽車、風力渦輪機等技術的出現以及5G網路的發展，半導體透過製造用於儲存資料、控制電子訊號和處理資訊的電晶體、積體電路和元件，成為創新的基礎。

半導體的早期發展（19 世紀至 20 世紀 40 年代）

儘管第一個實用的半導體直到 1947 年才由貝爾實驗室的約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉·肖克利發明，但可以追溯到 19 世紀初的早期發展和觀察為半導體的誕生奠定了基礎。

1821年，德國物理學家托馬斯·約翰·塞貝克發現兩種不同金屬之間的溫差能夠產生電壓。這種現象被稱為塞貝克效應，它透過強調不同材料的不同特性值及其對溫度的響應，間接促成了半導體的發明。

1833年，英國科學家邁克爾·法拉第（電容單位法拉（F）以他的名字命名）在研究中發現，硫化銀的電導率隨溫度升高而增加。

1874 年，德國電氣工程師 Karl Ferdinand Braun 發現了第一個半導體整流效應；將交流電(AC) 重新定向為直流電 (DC)的過程。

1901年，印度物理學教授賈格迪什·錢德拉·博斯（Jagadish Chandra Bose）申請了第一個使用晶體探測無線電波的半導體整流器的專利。

1906年，李·德·福雷斯特發明了三極真空管（Audion），它增強了微弱訊號並控制了電流。Audion為無線電和電話技術的發展奠定了基礎。

1927年，美國電氣工程師朱利葉斯·利利菲爾德（Julius Lilienfeld）申請了場效應半導體器件的專利。該器件基於硫化銅的半導體特性。

20世紀30年代。20世紀30年代量子力學的出現奠定了半導體的理論基礎，並解釋瞭如何操縱材料來製造積體電路等器件。1931年，艾倫·威爾遜出版了《電子半導體理論》。

1940年，拉塞爾·奧爾發現了pn結（p型半導體和n型半導體的連線點）以及矽中的光伏效應。這一發現揭示了矽獨特的電學特性，這對於電晶體的製造至關重要。

電晶體的發明

1947年，貝爾實驗室的約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉·肖克利發明了點接觸電晶體，標誌著半導體創造史上的一個重要時刻。

1956年，貝爾實驗室的團隊憑藉這顆首個功能性電晶體榮獲諾貝爾物理學獎。該獎項表彰了他們“在半導體領域的研究以及電晶體效應的發現”。這個小小的器件能夠操控電訊號，徹底改變了電子學的格局，其影響至今仍在我們身上體現。

該電晶體由鍺基座、兩個金箔觸點和一個將各個元件固定在一起的塑膠三角形構成。它充當電子開關，放大電訊號，並且工作時功耗遠低於真空管。

點接觸電晶體的發明在半導體歷史上具有舉足輕重的地位。電晶體是現代計算機的基礎，並推動了電子裝置的小型化。

轉向矽

雖然早期電晶體使用的是鍺，但矽的使用標誌著半導體歷史上的一個關鍵時刻。20世紀50年代之前，人們通常使用鍺而不是矽，因為矽具有以下不穩定的特性：

與強鹼有較高的反應性。
暴露在空氣中就會氧化。
對電離輻射的敏感性。
易受電磁干擾。
熱膨脹。

雖然這些不穩定的特性最初促使製造商轉向鍺，但最終矽的豐富性和低成本使其成為工業的有效材料。1954年，貝爾實驗室的化學家莫里斯·塔南鮑姆（Morris Tanenbaum）利用生長結技術（一種在製造過程中將P型和N型雜質混合到單晶中的技術）製造出了第一個矽電晶體。同年晚些時候，德州儀器的戈登·蒂爾（Gordon Teal）獨立製造出了第一個商用矽電晶體。雖然塔南鮑姆是第一個發明矽電晶體的人，但真正將這項發明商業化的卻是德州儀器。

眾所周知，在 1954 年的無線電工程師協會全國會議上，戈登·蒂爾 (Gordon Teal) 宣佈：“與我的同事告訴你們的有關矽電晶體黯淡前景的說法相反，我手裡恰好有幾個這樣的電晶體。”

雖然矽確實存在一定的挑戰，但它比鍺有幾個優勢，包括：

更好的氧化物形成能力（這對於積體電路至關重要）。
自然界更加豐富。
更高的熱穩定性。
更穩定和可預測的電氣特性。
可承受更高的電壓。
儘管德州儀器很快就與雷神等公司聯手將矽電晶體商業化，但德州儀器的早期起步確立了其在半導體行業的主要參與者地位。

積體電路的發展

1958年，德州儀器的傑克·基爾比（Jack Kilby）和仙童公司的羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）開發出第一塊積體電路（IC）。這促使它們在20世紀60年代得到廣泛應用和商業化生產。

積體電路 (IC) 是一種小型器件，將電晶體、電阻器和電容器等元件整合到一種半導體材料上。1958 年之前，人們使用真空管代替積體電路，但真空管不節省空間，而且執行需要大量電力。

積體電路具有許多關鍵優點，其中包括：

價效比高。
增強可靠性。
更高的設計靈活性。
提高了效能。
節省空間。

1965年，英特爾聯合創始人戈登·摩爾提出了摩爾定律。摩爾觀察到，每24個月，積體電路上的電晶體數量就會翻一番，而成本則會減半。這一觀察意義非凡，因為它展現了半導體進步的速度，並推動了半導體行業的投資。如今，儘管速度略有放緩，但摩爾定律仍然基本成立。

微處理器時代

微處理器是一種半導體，具體來說是一種單個半導體晶片。它是一種積體電路，充當計算機的中央處理器（CPU）。它在單個晶片上包含數百萬個電晶體，執行計算機程式的基本操作。微處理器的工作原理是解碼指令，然後執行計算。如今，微處理器每秒可以執行數十億次運算。

1971年，英特爾推出了首款商用微處理器4004。到1978年，該公司又推出了8086處理器。與之前的處理器不同，8086能夠處理更大的資料塊，並且執行速度更快。8086開啟了“x86”處理器系列，該系列處理器至今仍在為計算機提供動力。

微處理器的發展極大地影響了半導體行業，它使個人電腦更加強大、更加實用。微處理器的出現也為半導體行業開闢了新的市場，包括儲存晶片和介面電路。從本質上講，微處理器的發明促進了全球對半導體的需求增長。

現代半導體產業

21 世紀初，隨著個人電腦成為現代生活必需品，以及智慧手機推動移動處理器需求的興起，半導體行業持續呈指數級增長。隨著技術發展，消費者對更長電池壽命、更高功率和更小尺寸裝置的需求也隨之轉變，電源效率成為晶片設計的核心。動態電壓、睡眠狀態和高效電晶體設計等節能技術透過降低能耗，幫助人們應對技術挑戰。

雲計算同樣影響了半導體行業，尤其是在晶片需求方面。隨著資料中心的擴張和對專用處理器的需求，能夠處理更大量資料的記憶體晶片以及支援更快連線的網路處理器變得至關重要。

雲計算時代也為半導體行業創造了新的市場。亞馬遜和微軟等公司成為了重要的晶片買家。其他雲計算公司開始設計自己的晶片，隨著創新蓬勃發展以滿足需求，新型記憶體和儲存晶片應運而生。

如今，人工智慧已成為半導體行業的重要參與者。對人工智慧驅動硬體的需求空前高漲，德勤預測，到2025年，新一代人工智慧晶片的價值將達到1500億美元。預計未來幾年將迎來新的增長週期，Yole集團首席分析師Pierre Cambou預測，得益於人工智慧和機器學習等數字化轉型，到2030年，半導體行業將達到1萬億美元的市場規模。

截至 2025 年 4 月，根據 Statista 的資料，最大的半導體制造商有：英偉達、博通、臺積電、三星和阿斯麥。

半導體行業的行業挑戰

隨著半導體行業的發展，它面臨著多項挑戰，其中包括：

供應鏈脆弱性。半導體行業依賴於供應鏈，而由於製造業高度集中在亞洲，供應鏈可能存在波動。關鍵材料的供應商數量有限，而且裝置和材料的交貨週期較長，需求量很大。

地緣政治緊張局勢。由於製造業轉移到海外，任何形式的地緣政治緊張局勢都可能損害該行業。新的關稅、供應鏈中斷以及成本上升正在影響製造商和消費者。中美貿易限制和技術管控正在改變市場動態，並帶來諸多不確定性。地緣政治緊張局勢也體現在半導體主權競爭和出口管制法規的加強上。

環境挑戰。半導體制造涉及高能耗。據麥肯錫公司稱，一家典型的半導體制造廠一年的耗電量相當於5萬戶家庭的用電量。生產還涉及大量的用水和化學廢物管理。極端天氣條件也可能擾亂生產，並損害半導體晶片的全球供應鏈。

參考連結

https://www.techtarget.com/whatis/feature/The-history-of-semiconductors-and-the-chip-making-industry

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