半導體物理是自然科學領域中一個極其重要的學科，也是集成電路產業蓬勃發展的基礎。諾貝爾物理學獎作為全世界范圍內最具權威性的自然科學獎勵，與集成電路的發展存在密不可分的聯系。
從1956年至今，大概有十項半導體技術獲評諾貝爾物理學獎，在一定程度上真實而客觀地記錄和反映了幾十年來半導體技術所走過的光輝歷程。晶體管和集成電路的發明在半導體技術發展過程中具有里程碑式的重大意義，對人類文明和社會進步產生了巨大的影響。
在1956年，為表彰肖克萊、巴丁和布拉頓三位科學家對晶體管發明所作出的決定性和開創性貢獻，他們共同榮獲了諾貝爾物理學獎。
肖克萊(Shockley)在1910年2月出生于英國，在美國加利福尼亞州長大，在1936年獲得了麻省理工學院(MIT)的博士學位，在1951年成為美國國家科學院院士，他一生共獲得了90多項專利。巴丁(Bardeen)出生于1908年，在1929年獲得碩士學位后，先后從事了地球物理學、數學和固體物理學的研究。1920年，布拉頓(Brattain)出生于中國廈門，但成長于華盛頓州的養牛牧場，他在1929年在明尼蘇達大學(UMN)獲得博士學位并進入貝爾實驗室工作。在晶體管誕生之前，放大電信號主要是通過電子管 (真空三極管)，但由于制作困難、體積大、耗能高且使用壽命短，人們一直希望能夠用固態器件來替換它。在第二次世界大戰結束前夕，貝爾實驗成立了以肖克萊為首的固體物理小組，開始著手固體理論的基礎研究，并進行半導體器件的研制探索。巴丁在固體量子理論上有扎實的基礎，善于用理論解釋和協調實驗數據及現象，而肖克萊擅長用幾何圖像說明物理現象，布拉頓則是在半導體實驗方面取得了重要的成果。1945年，由肖克萊設計晶體管和有關電路，布拉頓進行實驗，但并未取得預期的電流調制作用。1947年，布拉頓按照巴丁提出的表面效應理論，對鍺半導體表面形成金屬點接觸結構的電子流動特性進行實驗研究時，成功發現了電流放大現象，進而發明了世界上第一個點接觸晶體管，并申請了相關專利。
在這個點接觸式晶體管中，通過把間距為50μm的兩個金電極壓在鍺半導體上，微小的電信號由一個金電極 (發射極) 進入鍺半導體 (基極) 并被顯著放大，然后通過另一個金電極 (集電極) 輸出，這個器件在1kHz的增益為4.5。
在1948年7月1日的美國《紐約時報》上，出現了一個叫做“晶體管”(transistor）的詞。“一種叫做晶體管的設備在貝爾實驗室首次得到了公開展示，它在通常使用真空管的無線電設備中有幾項應用。”這句話就是全球新聞界第一次正式關于“晶體管”的正式介紹。1948年9月，巴丁（Bardeen）、肖克利（Shockley）和布拉頓（Brattain）三位科學家登上了美國《電子學》雜志的封面。
點接觸晶體管制造困難，可靠性不高，因此肖克萊繼續深入研究，在1948年獨立提出了結型晶體管的概念，在1949年提出了半導體PN結理論，在1951年與合作者一起成功研制了以PN結為有源區的結型雙極晶體管，這一結構更容易制造，效果也更好，立即成了BJT的標準結構，并服役至今。
改變世界的重大創新——集成電路
在2000年，基爾比因為在1958年發明了集成電路而獲得諾貝爾物理學獎。我們可以發現，獲獎時間遠遠晚于集成電路的發明時間，達到了42年，這是因為當時集成電路被人們認為是一項重要的技術創新，而并非是一項重大的科學發明。但是集成電路的發展經受住了時間的考驗，并且直至今日依舊在不斷發展。基爾比(Kilby)在1923年11月8日出生于美國密蘇里州的杰佛遜市，早在中學時代，他就與父親一起從事電話和無線電通信方面工作，并對電子學產生了濃厚的興趣。在1947年和1950年，他分別在伊利諾伊(Illinois)大學和威斯康星(Wisconsin）大學獲得學士學位和碩士學位。
早在第二次世界大戰期間和此后的朝鮮戰爭時期，軍事上對電子裝備的小型化及其可靠性提出了迫切的需求．當時一架B－29轟炸機要求上千個真空管和幾萬個無源元件。它的成本、體積和可靠性成為一個電子系統發展的制約因素。
關于集成電路的概念的最早描述，應該說是由英國皇家信號和雷達機構 （Royal Signal＆Radar Establishment）于1952年5月在電子元器件會議上提出的，但是卻未能予以實現。基爾比在德州儀器（TI）負責電子裝備的小型化工作時，認為用傳統的微型化模型的工作方式解決不了問題。因此他試圖將電阻、電容等無源元件和有源元件都做在同一塊半導體材料上，于1958年9月12日在實驗室完成了第一塊集成電路振蕩器的演示實驗，標志著集成電路的誕生。
第二年，他在光刻技術的幫助下成功研制出了新的鍺觸發器。
此后基爾比一直從事集成電路的軍事、工業和商業應用的開拓性工作，在軍事應用系統和集成電路計算機等方面都取得了一定的成就。作為發明人之一，他還發明了掌上計算器和用于袖珍數據終端熱打印機。
可以發現，第一個晶體管是鍺基晶體管，第一個集成電路芯片是鍺芯片，鍺材料在半導體芯片的早期占據了主導地位。仙童公司在1959年7月30日申請了基于硅平面工藝的集成電路專利，使用了外延、氧化、擴散和光刻等一系列新工藝技術，更適合大批量生產，相對于鍺芯片來說具有價格上的優勢。除此之外，硅在物理、化學性質以及在儲量上都占有絕對性的優勢。
因此，隨著硅芯片技術的不斷發展，鍺芯片逐漸退出了歷史的舞臺。雖然鍺退出了芯片領域，但它仍然是一種重要的半導體材料，在高頻大功率器件、光電雪崩二極管和太陽能電池等領域仍舊有著不可取代的地位。
高端芯片的未來——先進封裝
基于市場競爭，不斷提高產品的性價比是半導體技術發展的動力，而縮小特征尺寸是最有效手段之一。1964年，Intel公司創始人之一的摩爾(Moore)提出著名的摩爾定律(Moore's Law)，預測芯片技術的未來發展趨勢是：當價格不變時，芯片上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。后來50多年芯片技術的發展也證明了摩爾定律基本上還是準確的。
但是，隨著特征尺寸的不斷縮小，器件尺度進入了納米量級、時間尺度為飛秒量級的新器件將遇到器件結構、關鍵工藝、集成技術和材料體系以及理論基礎等方面的一系列問題，越來越接近其物理限制。近年來，各種先進封裝的方法層出不窮，實現了更高層次的封裝集成，使芯片具有了更高的密度、更強的功能、更優的性能、更小的體積、更低的功耗、更快的速度、更小的延遲、更低的成本等優勢。半導體產業正在進入后摩爾時代，作為集成電路產業中不可或缺的后道工序，先進封裝技術正扮演著越來越重要的角色。
參考文獻
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