1.1. 英国

1.1.1. 在欧洲工业处于手工工场阶段时，英国发展起来的办法是男人冒死挖矿，女人玩命织布

1.1.2. 当时，英国人挖出的煤，比欧洲大陆所有人加在一起还要多

1.1.3. 飞梭的发明使英国的纺织品遍布世界

1.1.4. 18世纪60年代，瓦特改良蒸汽机，工业革命从这个国家开始

1.1.5. 牛顿的出现是上天赐予英国的一个礼物

1.1.6. 法拉第与麦克斯韦取得的成就却是英国几代人努力所应得的结果

1.2. 美国

1.2.1. 在美国成立后很长的一段时间，因为贫穷落后也被称为乡巴佬的美国人，是世界上最努力的一群人

1.2.2. 美国人是基建狂魔，他们用一年时间建成帝国大厦，震撼整个欧洲

1.2.3. 美国人大炼钢铁，拼命种地，疯狂挖矿

1.2.4. 一战前夕，美国的工业生产总值跃居世界第一，钢、煤、石油与粮食产量居世界之首

1.2.5. 依靠强大的工业底蕴，美国赢得了两次世界大战的胜利

1.3. 富裕也许是勤奋最大的敌人

1.3.1. 20世纪70年代，欧美国家准备干更少的活，赚更多的钱，将中低端制造业纷纷向亚洲转移

1.3.2. 制造业枯燥无味，多数人拿着低微的薪酬，进行着重复性劳动，生产着普通商品

1.4. 制造业呈金字塔结构，最下游贴近老百姓的衣食住行，最上游是设备与材料

1.4.1. 在多数情况下，科技进步从解决下游问题开始，将需求逐级抽象传递给上游

1.4.2. 上游是制高点也是产业界的兵家必争之地

1.5. 脱离了中低端产业，高端制造业将成为无源之水

1.5.1. 脱离了中底层的劳动，其上的高科技与商业模式，终为水中之月

1.5.2. 即便在上游这个最需要动脑的领域，核心工作依然以动手为本

1.6. 半导体制造上游领域建立在物理、化学与数学等学科的基础之上

1.6.1. 20世纪初开始的量子力学，促进了材料科学的进步，金属、绝缘体与半导体材料的进展一日千里

1.6.2. 晶体管诞生之后，集成电路随之而来，半导体产业逐步成型

1.7. 在半导体产业中，集成电路是最大的组成部分

1.7.1. 集成电路从诞生之后，迅速成为半导体产业的主角，从某种意义上来说，集成电路的制造几乎代表了半导体制造业的全部内容

1.7.2. 集成电路的发展史几乎包含了半导体发展史的全部内容

1.7.3. 集成电路的生态，几乎涵盖了半导体生态的全部内容

1.7.4. 集成电路由若干晶体管与连接这些晶体管的网络拓扑组成

1.7.5. 一个集成电路，无论功能如何复杂，依然以单个晶体管的制作为本

1.7.6. 集成电路在摩尔定律的驱动下，对单个晶体管的需求始终为更小的体积与更低的功耗

1.8. 晶体管有许多种类型，分别用于计算、存储、通信与其他领域

1.8.1. 不同领域对单个晶体管提出了不同需求，使其制作方法存在较大差异

1.8.2. 在本质上，任何一种晶体管的制作，依然由材料、晶体管结构与制作工艺组成

1.9. 半导体材料从化合物开始，逐步演进至锗与硅

1.9.1. 硅材料一经确定，便立刻成为舞台中心

1.9.1.1. 推动半导体工艺制程至3nm，逐步逼近硅的极限

1.9.1.2. 硅制约着集成电路发展上限

1.9.1.3. 若没有能够有效替换硅的新材料出现，半导体与集成电路产业的未来，将乏善可陈，波澜不惊

1.9.2. 平面制作工艺出现并成为主流

2.1. 半导体产业起源于通信领域

2.1.1. 在20世纪初，通信领域使用的矿石检波器是一种半导体二极管

2.1.2. 通信领域使用的单个二极管与晶体管在今天被称为分立器件

2.2. 通信领域之外，电源是分立器件更大的应用场景

2.2.1. 电源系统的核心IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)与MOSFET属于分立器件，应用在从玩具车、高铁到任何具有电源的系统中

2.3. 与分立器件相对的是由多个晶体管、二极管、电阻与电容所组成的集成电路

2.4. 集成电路分为模拟与数字两大类，其中数字集成电路的产值最大，而计算与存储又在数字集成电路中占据绝大多数份额

2.5. 最本质与最复杂的一步，是制作受摩尔定律指引而对缩小尺寸有着无限追求的晶体管

2.5.1. 集成电路不过是将其复制为亿万级个，然后进行连线而已

2.5.2. 集成电路制作，依然是基于半导体材料，采用不同的晶体管结构与制作工艺搭建而成的

2.6. 赫尔尼发明平面型晶体管之后，集成电路的制作逐步向平面工艺靠拢，半导体设备与材料的研发也围绕平面工艺展开

2.7. 第一个商用二极管，矿石检波器是基于化合物半导体制作的

2.8. 晶体管的制作材料，始于锗而兴于硅

2.8.1. 第一个点接触型与结性晶体管使用锗晶体制作，此后的半导体世界以硅晶体为主体展开

2.9. 硅与锗同为14族元素，是较早被发现的半导体材料，化学性质相近

2.9.1. 锗元素是一种金属，也有非常明显的非金属特性，被门捷列夫称为“类硅”

2.9.2. 锗的熔点为938℃，而硅的熔点高达1410℃

2.9.3. 熔点较低决定了锗晶体更容易提纯，使其能够在诸多半导体材料中率先突出重围，成为制作晶体管的重要选择

2.9.4. 与硅相比，锗晶体除了熔点较低，空穴和电子载流子迁移速度也较快

2.9.4.1. 迁移速度可以理解为两种载流子的奔跑速度

2.9.4.2. 跑得快给锗带来了一系列优点，比如更低的导通电阻，更低的功耗与更高的开关频率

2.9.4.3. 在多数情况下，“跑得快”比“跑得慢”的优势大很多

2.9.5. 硅晶体的某个单一特性不如锗、不如碳、不如化合物半导体，综合特性却无人能敌

2.9.6. 地壳与大气层富含这三种元素，在冥冥中注定了这些元素必将大有可为

2.9.6.1. 在半导体制作中，硅与“氮氧”的组合堪称完美

2.9.6.2. 氮元素在地壳中的含量极少，在大气层中占比却高达78%左右，便于人类发现与利用，硅与氮结合而成的氮化硅更是半导体制作的神来之笔

2.10. 德州仪器的Teal，在发明硅晶体管的1954年，便向世人演示过锗晶体管不耐高温的实验

2.10.1. 收音机被中午的阳光暴晒后，便不能正常工作，进一步暴露了锗晶体管存在的这个致命弱点

2.11. 半导体制作除了需要硅与锗这些半导体材料之外，还需要绝缘体的配合

2.11.1. 二氧化硅是非常好的绝缘体，不溶于水也不溶于多数酸，在有氧环境下加热即可获得，适合制作晶体管的氧化层和阻挡层

2.11.2. 二氧化硅具有较高的绝缘性与较大的介电常数，便于制造大容量电容；而且材料容易获得，在有氧环境加热硅衬底即可

2.11.3. 锗晶体与化合物半导体的出现均早于硅，但是两者仅凭缺少了不溶于酸与水的氧化层，便败给了硅

2.12. 贝尔实验室发明区熔与直拉两种方法，将多晶锗提炼为单晶锗锭

2.12.1. 区熔法在制作过程中氧与碳不易掺入，能够获得更高的纯度

2.12.2. 与区熔法相比，直拉法制作工艺简单，制作成本更低，生产效率高，更加成熟，制作出的单晶机械强度更高，便于获得大尺寸晶圆，广泛应用于大规模数字集成电路

2.12.3. 使用直拉法制作而成的单晶硅，整体呈柱状，头部为圆锥形，被称为硅锭(Silicon Ingot)

2.13. 集成电路对硅晶圆的需求为更大的尺寸与更高的纯度，但在综合考虑性能价格比等因素后，今天集成电路产业使用的硅晶圆，其尺寸为12in，其纯度为99.999999999%，即11个9的精度

2.14. 双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)

2.14.1. 在集成电路出现后30余年的时间里，BJT晶体管始终是制作数字集成电路的首选

2.14.2. BJT晶体管由两个PN结，三个层次组成

2.14.3. BJT晶体管更大的一项弱点，也是其工作必不可少的一个环节是，基极在BJT晶体管导通时始终存在电流，总有一部分功耗浪费于此

2.15. 由“与”“或”“非”与“触发器”这些门级电路组合而成，被称为逻辑门集成电路

2.15.1. 基于DTL与TTL电路，可轻易实现集成电路最基本的逻辑单元“与非门”

2.15.2. (Diode-Transistor Logic，DTL)电路

2.15.3. (Transistor-Transistor Logic，TTL)电路

2.16. 1950年，西泽润一发明基于碳化硅的晶体管(Static Induction Transistor，SIT)

2.16.1. 这种晶体管是结型场效应晶体管(Junction Field Effect Transistor，JFET)的前身，曾经大规模应用于高端音响领域

2.16.2. JFET晶体管诞生后不久，贝尔实验室制作出一种在今天依然广泛使用的场效应晶体管

2.16.3. 场效应晶体管MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)

2.17. 1959年，从埃及与韩国分别移民到美国的Mohamed Atalla与Dawon Kahng，发明了MOSFET晶体管

2.17.1. MOSFET也是一种单极型晶体管，其工作时仅使用一种载流子并同样由源极、漏极与栅极组成，其栅极最初使用金属实现，这是“M”的来源

2.17.2. 栅极与衬底使用氧化物(Oxide)隔离，这是“O”的来源

2.17.3. MOSFET整体由半导体实现，这是“S”的来源

3.1. CMOS(Complementary MOS)

3.1.1. 由两个不同类型MOSFET组成的互补场效应晶体管

3.1.2. 在CMOS生态确立之后，对硅材料最大的改进来自应变硅技术

3.1.3. 平面工艺最大的优化，在于围绕光刻机展开的各类设备与材料的持续进步

3.1.4. CMOS晶体管结构的不断调整，则贯穿于摩尔定律一路前行的始末，最初基于二维平面持续缩短尺寸，而后陆续出现了FinFET(Fin Field-Effect Transistor)、GAA(Gate-All-Around)这些三维晶体管结构

3.2. 从20世纪70年代开始，日本半导体产业界深度研究了CMOS技术，并将其应用于功耗敏感，却不在意性能的电子表与计算器领域

3.3. RCA公司基于CMOS晶体管，成功研制出功耗极低的SRAM芯片

3.4. 1978年，日立的Toshiaki Masuhara提出“双阱工艺”

3.4.1. 日立使用双阱工艺制作出一颗4kbit的SRAM芯片，其性能与Intel采用nMOS工艺制作的SRAM相当，却仅需使用15mA电流

3.4.2. 基于nMOS工艺实现同样大小的SRAM需要110mA电流

3.5. CMOS晶体管的最大优点是功耗远低于其他类型的晶体管，在理想情况下，静态功耗约为零

3.5.1. 互补工作方式是CMOS晶体管的突出优点，使得CMOS晶体管在正常区域内工作时功耗极低，而且具有较强的抗外部干扰能力

3.5.2. CMOS晶体管的弱点是pMOS不易优化

3.5.3. CMOS晶体管的性能低于单独的nMOS晶体管，也低于BJT晶体管，使得CMOS晶体管的其他优点被美国厂商所忽略，也为日本半导体产业在未来的强势崛起埋下了伏笔

3.5.4. 伴随摩尔定律的推进，集成电路容纳的晶体管数目呈指数增长，CMOS晶体管低功耗与集成度的优势凸显

3.5.5. 这种晶体管完全确立了在大规模集成电路中的地位，成为步迄今为止唯一的选择

3.5.6. CMOS晶体管是继硅与平面工艺之后，制作大规模集成电路的最后一块拼图

3.6. 硅、平面工艺与CMOS晶体管完美组合在一起，演进为CMOS工艺

3.6.1. 这种工艺也是“硅+CMOS晶体管+平面制作”生态的另外一种称呼

3.6.2. CMOS工艺的三大组成部分，硅、CMOS晶体管与平面制作呈三角结构，相互支撑、相互依赖，形成了一个庞大的制作生态

3.6.3. CMOS工艺不仅可以制作晶体管，而且可以集成被动元器件，包括电阻、电容与电感，这些不足一厘钱的被动元器件，经CMOS工艺集成后，制作成本几乎可被忽略

3.6.4. CMOS工艺无孔不入，在图像传感器领域，基于CMOS工艺的CIS(CMOS Image Sensor)已经成为主流

3.6.5. 持续优化CMOS工艺，拥抱由“硅+CMOS+平面制作”所组成的生态，制作出性能更高，尺寸更小的CMOS晶体管，使其应用至更多领域，至今依然是半导体制造业的核心，也是驱动摩尔定律持续前行的源动力

3.6.6. “硅+CMOS晶体管+平面制作”生态建立于上游的设备与材料，仅在半导体工厂中完整呈现，而且这个生态呈松耦合状态联系在一起，没有“x86与Windows”“ARM与Android”这类应用级生态更受关注，却更加紧密地耦合在一起

3.6.7. CMOS晶体管与平面制作以硅为基石

3.6.8. 硅与CMOS晶体管以平面制作为基础

3.6.9. 平面制作与硅在晶体管领域最成功的结合是CMOS晶体管

3.6.10. CMOS工艺的上限受制于硅的材料特性，使得在集成电路领域，替换硅的尝试始终没有停止过，至今难见曙光