许多诺贝尔奖……•1956年晶体管(Bardeen,Brattain,Shockley)•1985年量子大厅效应(Klitzing)•1986年扫描隧道显微镜(Binnig,Rohrer,Rohrer)•1996年,Buckyballs(Curl,Kroto,Smalley,Smalley)•1998年密度功能(KO)•2000 Heterj&ICJ(2000 Heter)(2000 Hetery)基尔比克里默(KROEM),•2000年指挥聚合物(Heeger)•2007年巨型磁场耐药(Fert&Grunberg)•2009年CCD和光纤(Kao,Boyle&Smith)•2000年QHE(laughlin,laughlin,Stormer,Tsui,tsui,tsui,tsui)•2010年geim&nevoselof(geim&nogoselof)•
1947 Bipolar Transistor invented by Bardeen, Brattain and Shockley at Bell Laboratories 1958 Simultaneous Development of Integrated Circuit by Kilby at Texas Instruments & Noyce and Moore at Fairchild Semiconductor 1961 First commercial digital IC available from Fairchild Semiconductor 1967 First Semiconductor RAM (64bits) discussed at the IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 1968 Introduction of the first commercial IC operational amplifier the µA709 by Fairchild Semiconductor 1970 1-transistor dynamic memory cell invented by Dennard at IBM 1971 Introduction of the 4004 microprocessor by intel 1972 First 8-bit Microprocessor The Intel 8008 1974 First 1kBit memory chip, 8080 microprocessor 1978 First 16-bit Microprocessor 1984 1MBit Memory芯片
微电子技术的早期发展因以下奖项而受到赞誉:1956 年,肖克利、巴丁和布拉顿因他们在半导体方面的研究以及他们在 1947 年发现晶体管效应而获得诺贝尔物理学奖(如今,任何尖端芯片中都有数十亿个晶体管);2000 年,基尔比因在 1958 年发明集成电路(或芯片)中所发挥的作用而获得诺贝尔物理学奖。集成电路是“计算机和其他电子设备的重要组成部分”。半导体也被称为“集成电路”或“芯片”。与蒸汽机一样,芯片是少数“通用技术”之一,即开启了整个技术进步和经济增长时代的突破性创新。芯片已无处不在,被广泛应用于从计算机到医疗设备、5G 和人工智能系统以及安全和防御设备等一系列产品中。芯片是数字化转型的引擎。
V. Gadepally、G. Angelides、A. Barbu、A. Bowne、L. Brattain、T. Broderick、A. Cabrera、G. Carl、R. Carter、M. Cha、E. Cowen、J. Cummings、B. Freeman、J. Goldberg、M. Hamilton、T. Heldt、KW Huang、P.S. Isola、B. Katz、J. Koerner、Y. Lin、D. Mayo、K. McAlpin、T. Perron、J. Piou、HM Rao、H. Reynolds、K. Samuel、S. Samsi、M. Schmidt、L. Shing、O. Simek、B. Swenson、V. Sze、J. Taylor、M. Veillette、M. L Weiss、A. Wollaber、S. Yu takes、J. Kepner
本章的标题和许多思想都来自一本开创性的著作,即威廉·肖克利的《半导体中的电子和空穴》[1],该书出版于 1950 年,即晶体管发明两年后。1956 年,肖克利与布拉顿和巴丁共同因发明晶体管而获得诺贝尔物理学奖(图 1-1)。多年来,人们发现本章和下一章中介绍的材料对于深入了解各种半导体器件非常有用且必不可少。掌握这里介绍的术语、概念和模型将使您不仅能够理解当今存在的许多半导体器件,而且还能理解未来将发明的更多半导体器件。它还将使您能够与半导体器件领域的其他人进行知识交流。
微电子技术的早期发展因以下奖项而受到赞誉:1956 年,肖克利、巴丁和布拉顿因他们在半导体方面的研究以及他们在 1947 年发现晶体管效应而获得诺贝尔物理学奖(如今,任何尖端芯片中都有数十亿个晶体管);2000 年,基尔比因在 1958 年发明集成电路(或芯片)中所发挥的作用而获得诺贝尔物理学奖。集成电路是“计算机和其他电子设备的重要组成部分”。半导体也被称为“集成电路”或“芯片”。与蒸汽机一样,芯片是少数“通用技术”之一,即开启了整个技术进步和经济增长时代的突破性创新。芯片已无处不在,被广泛应用于从计算机到医疗设备、5G 和人工智能系统以及安全和防御设备等一系列产品中。芯片是数字化转型的引擎。
2025 年 1 月 27 日,星期一 召集会议 市长 Isaac Hodges 于下午 7:03 宣布会议开始 点名 出席议员:市长 Isaac Hodges、议员 Andy Martin、Kristi Fulton、Phoebe Pereda(通过电话)和 Clayton Malmberg;达到法定人数 出席工作人员:市长 Tim Rundel、公共工程和开发服务副主任 Lauri Ziemer 和市书记员 Brooklyn Osterhage 出席媒体:无 其他出席人员:大约 5 名听众 仪式/任命/公告 警长 Kelby McCrae 宣布 K9 Nova 去世,他们将重新安排他的表彰仪式。警长 McCrae 介绍了新晋升的消防行动负责人 Jeff Lee。 听众的口头要求和沟通 1. Winriver Drive 的 Val Early — 介绍了南海岸社区水上运动冬季游泳池季节的最新情况。 2. 819 Paradise Lane 的 Connie Hunter — 谈到了她参与争取经济适用房同意日程表 1. 批准 2025 年 1 月 13 日的理事会会议记录 2. 收到 2024 年 12 月的月度财务报告 3. 重新任命 Ryan Reneau 为预算委员会委员 4. 重新任命 Theresa Mercurio 为公园和娱乐委员会委员 5. 重新任命 Dan Brattain 为公园和娱乐委员会委员 6. 重新任命 Michael E. Worthey 为公园和娱乐委员会委员
晶体管诞生 75 周年(从“跨阻放大器”缩写为“跨阻器”再缩写为“晶体管”)。时光飞逝。这是一个非凡的量子物理学小片段。2022 年,晶体管将像病毒一样大小,速度几乎与光速一样快,而且重要的是,它们巧妙地拥有放大这一独特黄金属性,可使微小的电压和电流变得更大。到 2022 年,地球上将有超过 10 24 个晶体管,这得益于摩尔定律所体现的令人瞠目结舌的指数增长模式。晶体管在现代生活中无处不在,无论技术提供者还是消费者是否看到它们。当然,“晶体管”一词应该添加到地球上每个人的词汇表中。同样,从智能手机到汽车、飞机、互联网、GPS,所有现代技术,如果从地球上消失,无一例外都会立即停止运行。事实上,就其对人类文明轨迹的影响而言,人们可以公平地说,晶体管的发明是人类历史上最重要的发现。这话很大胆,但有理有据 [1]。1947 年底,巴丁和布拉顿在贝尔实验室使用点接触装置首次观察到了晶体管的作用。这次固态放大器的演示在历史记录中也是独一无二的,因为我们可以精确地定位它——1947 年 12 月 23 日下午 5 点左右。正是在那一刻,世界发生了不可逆转的变化。新泽西州默里山正下着雪。肖克利不甘示弱,到 1948 年 2 月,“晶体管三人组”中的第三位成员肖克利开发出了晶体管。
早期的晶体管:75 年前,出生在三大洲的三位贝尔实验室研究人员发明了晶体管——美国的约翰·巴丁 (美国麦迪逊)、欧洲的威廉·肖克利 (英国利物浦) 和亚洲的沃尔特·布拉顿 (中国厦门)。另一位工程师约翰·皮尔斯建议使用“晶体管”这个名称,因为它将这种新设备与已经熟悉的术语联系起来:跨导、电阻器等。当索尼在 1957 年推出一款使用德州仪器晶体管和标准 9V 电池的衬衫口袋大小的晶体管收音机并继续销售 600 万台时,晶体管就成为家喻户晓的词。IBM 于 1958 年推出第一台量产的晶体管计算机。从 Ge 到 Si 再到异质集成:早期的晶体管是用锗制成的。1960 年左右,硅成为首选的半导体,因为其较大的带隙大大降低了晶体管的漏电流,尤其是在晶体管热的时候。虽然硅晶片现在已成为衬底材料,但在 IC 生产过程中,Ge 已以 Si x Ge 1-x 合金薄膜的形式回归,这些薄膜被添加到 Si 衬底上。SiGe 在高级 MOSFET 中起着越来越重要的作用,可以提高电子和空穴的迁移率并带来其他好处。光学、磁性和铁电材料也已集成到 Si 技术中。Si 或 SiC 衬底上的宽带隙半导体 GaN 用于制造高压晶体管。晶体管密度如何不断增长:TI 的 Jack Kilby 因“在集成电路发明中的作用”而获得 2000 年诺贝尔物理学奖。仙童半导体公司的 Robert Noyce 被认为是另一位主要贡献者,他的
中央处理器 (CPU) 是任何计算设备(包括台式机、智能手机、平板电脑和电视)的重要组成部分。它位于主板内,包含管理电路中电流的微型开关。CPU 使用二进制语言解码内存中的指令,执行这些指令并存储信息以供日后使用。此过程涉及与随机存取存储器 (RAM) 的定期交互以存储和传递指令。CPU 通常被称为计算机的“大脑”,因为它能够运行机器应用程序和操作系统。它通常由多个组件组成,包括寄存器、总线、控制单元、算术逻辑单元、时钟和缓存。寄存器快速存储数据,而总线促进组件之间的通信。控制单元监督指令处理,ALU 执行算术和逻辑运算。使用缓存代替直接访问 RAM,可以更快地检索数据。CPU 存在于各种设备中,包括计算机、笔记本电脑、智能手机、电视、数码相机、恒温器、智能手表和计算机辅助设计系统。 CPU 中的内核数量决定了其类型,从单核到十核处理器。更多内核可以同时执行任务,从而提高整体速度和效率,但也需要增加功耗。处理能力是指 CPU 在任何给定秒内处理数据的速率。例如,4.0 GHz CPU 每秒可以处理 40 亿条指令。时钟速度与内核数量相结合有助于确定 CPU 的性能,速度越高通常表示性能越好。但是,仅凭这一点还不足以确定一个 CPU 优于另一个 CPU,因为它还取决于软件应用程序和设备类型。此外,时钟速度会产生热量,但处理器可以通过在过热时降低速度来缓解这种热量。另一个增强 CPU 处理的因素是超线程,它允许单个内核模拟多个同时工作。这增加了处理苛刻任务的能力。在 Intel Core i9 处理器的背景下,超线程可以从双核设置中实现四个虚拟内核。计算机硬件工程师设计和开发 CPU,通过测试确保兼容性。要成为一名工程师,通常需要拥有计算机工程或相关领域的学士学位,并具备 CompTIA A+ 和思科认证技术人员等认证。**通过普林斯顿大学的计算机科学课程释放您的编程潜力** 考虑通过普林斯顿大学提供的一门特殊课程**计算机科学:有目的的编程**来提高您的 Java 编程技能。这个综合课程涵盖了基本的编程元素并介绍了面向对象的编程概念。**操作的大脑:了解中央处理器 (CPU)** CPU 是每个计算机系统的核心,负责执行指令、进行计算以及促进输入/输出设备之间的通信。CPU 由多个协同工作的较小组件组成,其功能包括:* 执行各种数据处理操作,从简单的算术到复杂的任务 * 存储输入数据、中间结果和程序指令 * 确保无缝高效的系统运行 **深入研究 CPU:最重要的计算机组件** 作为硬件,CPU 负责数据输入/输出、处理和存储功能。 CPU 通常安装在主板插槽中,它可以:* 执行各种数据处理操作* 存储数据、指令、程序和中间结果**CPU 简史:从硅到复杂**自从 1823 年 Baron Jons Jakob Berzelius 发现硅以来,CPU 经历了重大转变:* 1947 年:John Bardeen、Walter Brattain 和 William Shockley 发明了第一个晶体管* 1958 年:Robert Noyce 和 Jack Kilby 制造出第一个可工作的集成电路* 值得注意的版本包括英特尔的 4004(1971 年)、8008(1972 年)、8086(1976 年)和 8088(1979 年)* 摩托罗拉、Sun、AMD 和英特尔的其他关键发展塑造了 CPU 格局**现代 CPU:三个关键单元**当今的 CPU 由三个主要单元组成:1. **内存或存储单元**2. **控制单元** 3. **ALU(算术逻辑单元)** **可视化计算机的核心组件** 请参阅随附的框图,重点了解这三个重要元素之间的相互作用。让我们更深入地了解每个组件…… 中央处理单元 (CPU) 是负责在计算机系统中执行指令和产生输出的关键组件。它由几个主要组件组成,每个组件在计算机的运行中都发挥着至关重要的作用。 #### 内存或存储单元 此单元存储指令、数据和中间结果。它的大小会影响速度、功率和性能。 内存有两种类型:主内存和次内存。内存单元的主要功能包括存储数据和指令以供处理、存储中间结果以及传输输入和输出。 #### 控制单元 控制单元控制计算机所有部件的操作,但不执行任何数据处理操作。它通过使用电信号指示计算机系统来执行已存储的指令。其主要任务包括控制数据传输、管理单元、从内存获取指令、解释指令以及指导计算机操作。 #### ALU(算术逻辑单元) ALU 执行算术和逻辑功能或操作。它由两个子部分组成:算术部分,执行加法、减法、乘法和除法等基本算术运算;逻辑部分,执行选择、比较、匹配和合并数据等逻辑操作。CPU 是计算机的大脑,它需要在 ALU(算术逻辑单元)的帮助下解码指令才能执行它们。CPU 有三种类型:单核 CPU:最古老的计算机 CPU 类型,用于 20 世纪 70 年代,只有一个核心执行不同的操作,因此无法进行多任务处理。双核 CPU:包含一个带有两个核心的集成电路,每个核心都有自己的缓存和控制器,双核 CPU 比单核处理器运行速度更快。四核 CPU:四核 CPU 在单个集成电路中有两个双核处理器,可以在不提高时钟速度的情况下提高整体速度,从而提高性能。CPU 性能以一秒钟内完成的指令数来衡量,具体取决于时钟速度、设计和缓存大小。计算机程序是程序员编写的一组指令,告诉计算机要做什么。程序可以永久存储在存储设备上,也可以暂时存储在 RAM 中以供临时使用。计算机依靠图形处理单元 (GPU) 等专用硬件来同时处理多个任务,从而展示了并行处理的强大功能。中央处理器 (CPU) 通常被称为计算机的大脑,它执行程序中的指令,从基本计算到复杂操作。没有 CPU,计算机将无法运行程序或执行任何操作,从而使它们几乎毫无用处。这凸显了 CPU 在整个计算机功能中的重要性。有关 CPU 的常见问题包括区分 CPU 和微处理器。虽然它们经常互换使用,但并不完全是同义词。所有 CPU 确实都是微处理器,但反之则不然。CPU 的主要类型是单核、双核和四核,每种类型都有不同的功能。CPU 由硅制成,硅是一种半导体金属,有助于与主板进行电气连接。为了管理 CPU 操作产生的热量,通常使用集成散热器。 CPU 的关键组件包括用于执行数学和逻辑运算的算术逻辑单元 (ALU)、用于在输入/输出设备和内存之间传输数据的控制单元 (CU) 以及用于存储输入和输出的内存或存储单元。四核 CPU 在单个集成电路中配备两个双核处理器,可在不提高时钟速度的情况下提高整体速度,从而提高性能。CPU 性能以一秒钟内完成的指令数来衡量,具体取决于时钟速度、设计和缓存大小。计算机程序是程序员编写的指令集,用于告诉计算机要做什么。程序可以永久存储在存储设备上,也可以临时存储在 RAM 中以供临时使用。计算机依靠图形处理单元 (GPU) 等专用硬件同时处理多个任务,展示了并行处理的强大功能。中央处理器 (CPU) 通常被称为计算机的大脑,它执行程序中的指令,从基本计算到复杂操作。没有 CPU,计算机将无法运行程序或执行任何操作,从而使它们几乎毫无用处。这凸显了 CPU 在整体计算机功能中的关键重要性。有关 CPU 的常见问题包括区分 CPU 和微处理器。虽然它们经常互换使用,但它们并不完全是同义词。所有 CPU 确实都是微处理器,但反之则不然。 CPU 的主要类型是单核、双核和四核,每种类型都有不同的功能。CPU 由硅制成,硅是一种半导体金属,有助于与主板进行电气连接。为了管理 CPU 操作产生的热量,通常使用集成散热器。CPU 的关键组件包括用于执行数学和逻辑运算的算术和逻辑单元 (ALU)、用于在输入/输出设备和内存之间传输数据的控制单元 (CU) 以及用于存储输入和输出的内存或存储单元。四核 CPU 在单个集成电路中配备两个双核处理器,可在不提高时钟速度的情况下提高整体速度,从而提高性能。CPU 性能以一秒钟内完成的指令数来衡量,具体取决于时钟速度、设计和缓存大小。计算机程序是程序员编写的指令集,用于告诉计算机要做什么。程序可以永久存储在存储设备上,也可以临时存储在 RAM 中以供临时使用。计算机依靠图形处理单元 (GPU) 等专用硬件同时处理多个任务,展示了并行处理的强大功能。中央处理器 (CPU) 通常被称为计算机的大脑,它执行程序中的指令,从基本计算到复杂操作。没有 CPU,计算机将无法运行程序或执行任何操作,从而使它们几乎毫无用处。这凸显了 CPU 在整体计算机功能中的关键重要性。有关 CPU 的常见问题包括区分 CPU 和微处理器。虽然它们经常互换使用,但它们并不完全是同义词。所有 CPU 确实都是微处理器,但反之则不然。 CPU 的主要类型是单核、双核和四核,每种类型都有不同的功能。CPU 由硅制成,硅是一种半导体金属,有助于与主板进行电气连接。为了管理 CPU 操作产生的热量,通常使用集成散热器。CPU 的关键组件包括用于执行数学和逻辑运算的算术和逻辑单元 (ALU)、用于在输入/输出设备和内存之间传输数据的控制单元 (CU) 以及用于存储输入和输出的内存或存储单元。它们并不完全是同义词。所有 CPU 都是微处理器,但反之则不然。CPU 的主要类型是单核、双核和四核,每种类型都有不同的功能。CPU 由硅制成,硅是一种半导体金属,有助于与主板进行电气连接。为了管理 CPU 操作产生的热量,通常使用集成散热器。CPU 的关键组件包括用于执行数学和逻辑运算的算术和逻辑单元 (ALU)、用于在输入/输出设备和内存之间传输数据的控制单元 (CU) 以及用于存储输入和输出的内存或存储单元。它们并不完全是同义词。所有 CPU 都是微处理器,但反之则不然。CPU 的主要类型是单核、双核和四核,每种类型都有不同的功能。CPU 由硅制成,硅是一种半导体金属,有助于与主板进行电气连接。为了管理 CPU 操作产生的热量,通常使用集成散热器。CPU 的关键组件包括用于执行数学和逻辑运算的算术和逻辑单元 (ALU)、用于在输入/输出设备和内存之间传输数据的控制单元 (CU) 以及用于存储输入和输出的内存或存储单元。