1947年美國貝爾實驗室發明了半導體點接觸晶體管,從而開創了人類的硅文明時代。今天晶體管發明剛過五十周年,但在這半個世紀中,由于它的出現,給人類文明帶來的巨大變化,比遠古的石器時代、青銅時代、鐵器時代要迅速得多,深刻得多。尤其是1958年美國兩公司(得克薩斯儀器公司和仙童公司)各自研制發明了半導體集成電路(IC)之后,發展更為迅猛,集成度不斷提高。IC的發展,從SSI(小規模集成)起步,經過MSI(中規模集成),發展到LSI(大規模集成),近十幾年來又提高到VLSI(超大規模集成),近幾年則已開始進入ULSI(特大規模集成)。不久將來,將可達到GSI(巨大規模集成),單片集成度將可超過10億個元件。
當今世界正處于電子信息時代,電子計算機的出現和發展起了十分重要的作用。而計算機的體積不斷縮小、性能不斷提高、迅速更新換代,則有賴于半導體的發展。眾所周知,第一代計算機是用電子管裝配而成的;第二代計算機采用半導體晶體管;第三代采用中、小規模集成電路;第四代則是采用大規模集成電路。隨著大規模集成電路的出現,計算機中又出現了微處理機,從4位、8位、16位,發展到32位。當今個人計算機(PC機)更以Intel公司的電路芯片的型號來命名,從286、386、486,發展到奔騰(586)。而代表半導體IC集成度不斷翻新的DRAM(動態隨機存取存儲器)產品,從1k位問世以來,經過4k位、16k位、64k位、256k位,發展到兆位,先是1M位,現已大量生產4M位和16M位,而64M位也已開始生產,下一步取而代之的將是256M位和1G位。
在人類文化生活方面,由于采用晶體管代替了電子管,使收音機體積大大縮小。而由于IC的發展,錄音機、收錄機、黑白電視機、彩色電視機、電子音響、錄像機、CD唱機、VCD,以至新一代的數字高清晰度電視和DVD,一浪推一浪,模擬推向數字,層出不窮地向高檔視聽設備發展。
不用很久,采用多媒體技術后,將把收錄機、電視機、電話機、傳真機等和個人計算機聯成一體,在家庭中將真正實現“電子大世界”。
所有這一切變化,都離不開半導體的發展,可以毫不夸張地說,集成電路產業已發展成為當今世界的戰略性工業。因為,集成電路是微電子技術的核心,而微電子技術是當代高技術群中的關鍵技術。以集成電路為核心的電子信息產業,在美國、日本等經濟發達的國家,其總產值在國民經濟總產值(GNP)中已占第一位(美國)或第二位(日本),成為國民經濟的支柱產業。集成電路已廣泛地應用到國民經濟和社會的一切領域,產生著深刻的變化。因此,IC的發展已成為影響世界各國經濟發展和國家安全的重要因素。目前,國際上把LSI、VLSI、ULSI技術稱之為“掌握世界的鑰匙”,誰掌握了它,誰就掌握了世界。
那末,發展中的中國在半導體領域里的作為如何呢?人們普遍關心著中國半導體產業的發展,都為中國半導體、微電子產業發展緩慢而憂慮、擔心,有的人則是指責、非難。到底中國半導體產業是怎么發展的?它的過去怎樣?今天狀況如何?今后又將怎樣發展?前景如何?為了回答這些問題,我們編寫了這篇文章,談談“中國半導體產業發展的過去,現在和將來”。
1956年中國提出“向科學進軍”,國家制訂了發展各門尖端科學的“十二年科學技術發展遠景規劃”,明確了目標。根據國外發展電子器件的進程,提出了中國也要研究發展半導體科學,把半導體技術列為國家四大緊急措施之一。從半導體材料開始,自力更生研究半導體器件。為了落實發展半導體規劃,中國科學院應用物理所首先舉辦了半導體器件短期訓練班。請回國的半導體專家黃昆、吳錫九、黃敞、林蘭英、王守武、成眾志等講授半導體理論、晶體管制造技術和半導體線路。參加短訓班的約100多人。
當時國家決定由5所大學——北京大學、復旦大學、吉林大學、廈門大學和南京大學聯合在北京大學開辦半導體物理專業,共同培養第一批半導體人才。五校中最出名的教授有北京大學的黃昆、復旦大學的謝希德和吉林大學的高鼎三。1957年就有第一批畢業生,其中有現在成為中國科學院院士的王陽元(北京大學)、工程院院士的許居衍(華晶集團公司)和電子工業部總工程師俞忠鈺等人。之后,清華大學等一批工科大學也先后設置了半導體專業。
中國半導體材料從鍺(Ge)開始。通過提煉煤灰制備了鍺材料。1957年北京電子管廠通過還原氧化鍺,拉出了鍺單晶。中國科學院應用物理研究所和二機部十局第十一研究所開發鍺晶體管。前者由王守武任半導體實驗室主任,后者由武爾楨負責。1957年中國依靠自己的技術開發,相繼研制出鍺點接觸二極管和三極管(即晶體管)。
為了加強半導體的研究,中國科學院于1960年在北京建立了半導體研究所,同年在河北省石家莊建立了工業性專業化研究所——第十三研究所,即現在的河北半導體研究所。到60年代初,中國半導體器件開始在工廠生產。此時,國內搞半導體器件的已有十幾個廠點。當時北方以北京電子管廠為代表,生產了Π-6低頻合金管和Π401高頻合金擴散管;南方以上海元件五廠為代表。
在鍺之后,很快也研究出其他半導體材料。1959年天津拉制了硅(Si)單晶,1962年又拉制了砷化鎵(GaAs)單晶,后來也研究開發了其他種化合物半導體。
硅器件開始搞的是合金管。1962年研究成外延工藝,并開始研究采用照相制版、光刻工藝,河北半導體研究所在1963年搞出了硅平面型晶體管,1964年搞出了硅外延平面型晶體管。在平面管之前不久,也搞過鍺和硅的臺面擴散管,但一旦平面管研制出來后,絕大部分器件采用平面管結構,因為它更適合于批量生產。
當時拉制的單晶棒的直徑很小,也不規則。一般將硅片切成方片的形狀,如7mm×7mm、10mm×10mm、15mm×15mm。后來單晶直徑拉大些后,就開始采用不規則的圓片,但直徑一般在35mm~40mm之間。
在半導體器件批量生產之后,60年代主要用來生產晶體管收音機,它比電子管收音機在體積上大為縮小,質量大為減少。一般老百姓把晶體管收音機俗稱為“半導體”。它在60年代成為普通居民所要購買的“四大件”之一(其他三大件為縫紉機、自行車和手表)。另一方面,新品開發主要研究方向是硅高頻大功率管,目的是要把部隊所用的采用電子管的“八一”電臺換裝為采用晶體管的“小八一”電臺,它曾是河北半導體所和北京電子管廠當年的主攻任務。
除了收信放大管之外,之后還開發了開關管。中國科學院在半導體所之外建立了一所實驗工廠,取名109廠(后改建為微電子中心)。它所生產的開關管,供中國科學院計算研究所研制成第二代計算機。隨后在北京有線電廠等工廠批量生產了DJS-121型鍺晶體管計算機,運算速度達到每秒1萬次以上。后來還研制出速度更快的108機,以及速度達每秒28萬次、容量更大的DJS-320型中型計算機,該機采用硅開關管。
總之,在向科學進軍的號召下,中國的知識分子、技術人員在外界封鎖的環境下,在海外回國的一批半導體學者帶領下,憑藉知識和文獻資料,主要依靠自己的力量,建立起半導體這門新型的學科,并且從課堂和實驗室發展到實驗性工廠和生產性工廠,開始建立起自己的半導體行業。這期間蘇聯曾派過半導體專家來指導,但很快因中蘇關系惡化而撤走了。這一發展分立器件的階段歷時10年,與國外差距為10年。
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