30年来，数字电子技术的各个方面发展极其迅猛，有些什么样的障碍制约其继续发展呢？
最早可以称之为计算机的计算机器实际上是一个继电器系统，它利用电信号完成各种逻辑功能。这种计算机器完成各种计算的速度大大加快，这又进一步激发了人们研制速度更快、性能更可靠的器件。世界上，首台商用计算机由真空管组成，其运算速度比继电器快得多。后来，人们发明了晶体管，并用它替代真空管，终于引发了电子技术革命，目前，这场革命仍在不断深化之中。尽管固体电子技术包含很多分支，在各个方面都有应用。但长期以来，它在信息处理过程中的应用，仍是它发展的主要动力。
通过微型化和集成化，人们对低成本、低功耗、高速度和高可靠性的计算设备的探索不断深化。通过减少器件容量和器件间距而进行微型化，可增加运算速度，降低运算成本。同时，微型化后，也使一个芯片上制作多个元件——集成化——的困难减少。由于一个芯片的成本与芯片中元件个数基本上无关，因此，集成化是降低成本的关键。同时，集成电子技术中的联接方式比分立器件之间的导线联接和焊接可靠得多。
30年来，各种技术手段不断改进，现在已能制造拥有上千万个元件，快速可靠的机器。固体电子技术发展到这种程度，促使人们不得不想想继续发展下去，会有什么样的结果？微型化还能持续多久？有没有更为有利的发展方向？
数字计算和固体电子技术
要回答上述问题，必须首先弄明白计算机中的装置要完成什么功能，完成这些功能的难处何在。在数据自动处理过程中，信息由某一物理变量表示。在计算机中，一个信息要使用多次，有时可能会达到上千次。当信号在装置内传输或从一个装置传送到另一个装置时，由于衰减和耗散，信号质量会多次退变，噪声、交叉通信和反射也会污染信号。因此，在用物理量表示数字信号时，必须要阻止信号退变。在信号传送的每一步，都要将表示数字信号的物理变量恢复到标准值，这样才能使传送的信号为正确的数字信号。在二进制数字系统中，每位数字要么是0，要么是1，这样，信号受体只需判断两个状态。由于通过一个系统产生标准电压来表示数字比较容易，电压信号也能沿导线长距离传送到系统的其它部分，所以，在信息表示方式中，电压表示信息方式占有主导地位。
通过受控开关，可完成逻辑运算。开关两端分别联接输出端和一个额定电位。图1显示了一个计算电路中的开关实例。图中，如一个或多个开关闭合，输出端电压为零，如所有开关断开，则输出端有一输出电压V，V值由电阻R和电源电势确定。如果将一个闭合开关和输出端正电位表示“1”，开关断开与零电位表示“0”，则该电路完成逻辑“或非”功能。在运算过程中，开关的启闭由前级逻辑状态控制。
图1 逻辑开关
一个有广泛用途的开关系统通常由很多个开关组成，很明显，这样的开关系统要求单个开关的成本极其低廉。晶体管的发明开创了固体电子技术的新纪元，它是获得极其低廉成本的关键，使得我们能装配制造超大型机器，今天，我们见到的计算机的各种广泛使用也因为它才有可能。集成电路的显著进展，证明了固体装置特别适合于微型化和大规模生产。现在，很多半导体的芯片中，集成晶体管的个数大大超过109。—个芯片的成本由所有的晶体管分担。因此，元件成本和巨大的集成晶体管个数使得电子信息处理更像是一技术问题，而不是一个科学问题。我们也许不得不超越基本物理概念的范畴，理解它的极限障碍。
30年来，人们通过不断的研究和发展各种方法和手段，制造微型晶体管，提高电路集成度，才使得晶体管技术发展到今天这样的程度。特别是近20年来，电子技术的发展速度随时间按对数规律增长，这个发展速度还可能会在将来持续一个相当长的时间，对此，很多人会感到难以置信。从图2可以看出，单个芯片上一个特征单元的最小尺寸每5年减小一倍 · 人们还在继续研究器件物理的某些方面和制造过程中的某些细节，这些东西将可能会形成继续发展难以逾越的障碍。
图2 微型化过程
电场极限障碍
随着半导体器件逐渐变小，器件中的电场强度不断增加，但器件中的电场强度不可能无限地增加，器件容许的最大电场强度就是一个极限障碍。步管随着器件的微型化，加在电路上的电压也在逐步变小，但电压与器件线性尺寸的减小幅度不同尽。这主要是因为，要使半导体器件对外加电势产生响应，电路电压必须要大于某一特定电压，这一特定电压对应于必须要供给一个电子的能量。电压特定值之一就是热电压KT/e，当温度为300 K时，此值为0.026 V。而作为一个开关势垒，势垒存在时，必须要使大部份电子难以越过。由于在半导体中，电子的能量在几个KT之间变化，因此，势垒的能量变化必须要大于这个范围。
由半导体能隙概念可导出另一个特征电压，它就是p-n结的内电压。内电压乘以电子电荷等于n型和P型半导体的费米能级差。这个内电压在结处形成了一个势垒，阻碍电子流过。内电压与掺杂浓度有关，对于硅半导体，其典型值为0，5~1.0 V。只有加上与此特定值相当的电压，才会有大电流流过P-n结。与此类似，在场效应晶体管中，要在器件表面获得导电沟道，亦必须加上相当的门电压。
半导体中的高电场强度会产生几个效应。在低电场时，电子主要通过声子散射而损失能量，而在高电场情况下，电子从电场中获得能量的速度快于它们通过散射将能量交换给声子的速度。当这些电子的平均能量比晶格能KT大很多时，它们的运动和能量交换将受新的散射机制制约。新的散射过程最终会使得电子的速度达到饱和，这时，电子速度与电场强度无关，而不像在低场那样，遵循运动规律，正比于电场强度。
电场强度进一步增大，电子获得的能量会超过半导体能隙，这时，电子会发生能隙跃迁，能量减少，产生一个电子空穴对。新的载流子又会被高电场加速，最终会导致一个失去控制的载流子和电流雪崩效应，这个效应也许会是破坏性的。作为一种合理的近似，破坏性雪崩条件规定了一个最大允许电场强度。
在固体电子技术时代早期，爱德华 · 奥 · 约翰逊就认识到高电场现象将会是半导体器件功能的一个基本极限障碍。他指出电子通过距离L所用的最短时间为t>L/Vmax，Vmax是电子的最大速度。L减小，t减小，器件的高频限增大。任一给定电压V，由于最大电场强度Fmax的限定，L有一低限：V/Fmax，因此，t/v>1/FmaxVmax，可见，对任一电压v，都有一时限t与之对应。根据放大器截止频率f的定义，时限可表示如下：vf<Fmax Vmax/2x，对于硅半导体而言，其值大约为2×1011 v/s。固体电子技术发展的近30年来，还没有人能突破这个早就提出的极限。
不久前，霍纳森和卡佛 · 米德发现了又一个难以解决的问题。他们发现在微型半导体中，要通过一些薄层将器件的不同电势区分隔开，薄层内，费米能级远离能带边缘，运动载流子耗尽，因此，这些薄层变成了耗尽层，例如，P-n结和场效应管中源极和导电沟道之间的薄层就是耗尽层。
描述带电施主或受主杂质产生的电荷密度的泊松方程，确定了耗尽层中的电势变化。薄层电压v、厚度W和杂质浓度N的关系式是：w2=2 εv/Ne，ε是半导体的电解质极化率。因为电压减小有限，故要减小薄层厚度，只好增大杂质浓度。因此，随着半导体器件的微型化，掺杂浓度倾向于越来越高，、耗尽层中的电场强度也随着增大。
霍纳森和米德提出的极限电压指的就是耗尽层所能承受的最大电压。电压在限定范围内时，流过耗尽层的电流是隧穿电流，越过限定范围，耗尽层中的电子就会被加速引发雪崩。在图3的上边，霍纳森和米德描出了硅三极管基片厚度-电压曲线。
高电场还会产生另外一个十分重要的现象。有些电子经过高电场加速，会跃过某些低场下不可能跃过的势垒。在以二氧化硅作为绝缘体的小型绝缘栅型场效应晶体管中，这个势垒跃迁十分重要。有了这个势垒跃迁，一部分能量足够的电子，能够跃迁进入氧化物中，被氧化物捕获。尽管电子跃迁进入绝缘体中是小几率事件，但随着绝缘体中捕获电荷的逐步积累，它就会在晶体管中影响其工作特性，限制它在电路中的有效寿命。
图3 基片厚度电压特性限制
开关晶体管
占主导地位的硅器件存在极限障碍这一事实，激励人们开始研究新的半导体技术。物理学家是这个方向的主力军。固体物理新现象诱使其发现者由此发明新型器件，这些新器件的出现，可能会很快淘汰晶体管器件，在讨论这个可能之前，我们还是先来看看晶体管器件做了些什么，为何它会获得如此成功。
很多书都对晶体管的物理性能作了大量的阐述。晶体管除了易于微型化外，作为开关，它也有优异性能。晶体管可以具有很高的增益，因此，晶体管控制信号可以比受控信号小浪多。有关晶体管的概念中，高增益是最重要的一个。因为少数静态电子可以抑制器件中随意流动的空穴电流，所以，电极上的一个电荷就能控制100或1000个电荷。输送电荷到电极上，允许器件中的其它电荷流过电极这一原理也是真空三极管的基础。一个多世纪以来，这一原理就是电子放大技术的基石。
在逻辑电路中，晶体管作为开关使用时，只有两个状态：高电导（开关闭合）和低电导（开关断开）。晶体管的高增益意味着总输入信号的一个相当小的部分就能使输出状态翻转，在大部份输入电压范围内，晶体管开关要么处在“开”、要么处在“断”状态。输出端或与地联接，或与电源电势相连，通常人们将输出状态不变，输入信号的变化范围称为噪声容限。
一个逻辑功能系统，系统内的各器件必须互相通信。当信号在拥挤的系统环境内传送时，它会衰减和畸变，还会由于反射而污染。噪声容限能保证存在噪声时，器件正确传送信号。同时，它容许输入信号在一定范围内变化，不影响电路逻辑功能。这两点对于大规模集成电路数字系统至关重要。
噪声容限还给器件创造了一个宽松的工作环境。有了噪声容限，精确的器件增益和输入信号不再是特别苛刻的参数。这个条件的放松对于低成本、高集成技术的成功是必要的。
拥有两种极性的晶体管是晶体管电路的又一优点。前文中，“电子”与“空穴”概念可互换。由于两种晶体管极性相反，就可形成“互补”电路。所谓“互补”，就是同一信号开启一个晶体管时，同时关断另一个相反极性的晶体管。例如，在众所周知的金属-氧化物-半导体互补电路中，晶体管串联联接，电路中的电流将器件和电路中的其它电容充电到额定值后，就变为零。由于电路中无持续电流，电源功率和冷却功率大幅度下降。因此，CMOS电路的热极限也大为降低。
半导体技术的未来
新手段和新技术不断引人半导体芯片制造技术，支撑着半导体器件长久以来不断的微型化。在微型化过程中，总是伴随着器件技术各个方面的不断改进和演化。现在，让我们分析一下，微型化会遇到什么困难和明显的障碍？
设计尺寸与电压减小的硅结构新型器件，这个传统的发展方向，肯定还会或多或少地继续下去。然而，在微器件中，由于复杂的非均匀性，越来越难以理解其中究竟发生了什么。已建立的分析模型没有考虑众多的复杂因素：材料参数在一个平均自由程内，发生很大的二维或三维变化，高度依赖电子能量散射；在器件中建立稳态所需要的微量时间；载流子获得能量处的非抛物线型能带特征。
随着计算机计算能力的迅速增长，数值方法在代替分析模型方面，在对器件优化设计中的经验和直觉加以修正和补充方面，开始发挥作用。例如，蒙特卡罗方法就能计算分析器件中输运的个体电子行为，它考虑了复杂的散射几率问题和其它因素。对数字计算结果作模拟分析，尽可能展示新的物理现象的本质，从中形成新的概念，比数字结果在器件中的直接应用更有价值。
与电子技术的其它分析方法一样，模拟分析也有缺陷，首先，它受计算能力的限制。在分析中，考虑的电子愈多，计算结果就愈精确。非均匀性考虑得愈充分，模拟结构就愈接近真实情况。只有大大提高现有计算能力，才能完成三维蒙特卡罗计算。其次，由于我们还没有完全掌握半导体物理中的所有相关因素，也会给模拟分析带来误差。在微型半导体器件中，从来也没有对各个能量区的电子和空穴的动力学过程作过彻底的研究。弄清这个过程还不很容易，在亚微微秒尺度内，存在相当重要的物理现象，但难于探测。
复杂微型结构的制造也是一个难点。由于仪器的空间分辨率不够，所以，即使对器件作成分分析亦无济于事。这个问题只好通过模拟制造过程，借助计算机加以解决。通过模拟模型，人们企图分析杂质进入材料后的扩散过程、离子植入过程和沉积过程；还希望通过高温处理，分析在环境的影响下，器件表面的变化情况。由于打算在三维空间进行分析，因此要考虑很多相关因素。如：杂质原子之间的相互作用、杂质原子和晶格缺陷的相互作用、掺杂剂对费米能的影响、费米能对原子运动的影响及产生和吸收点缺陷和掺杂剂的表面沉积与反应。
最后，谈谈半导体技术中正在进行的一场革命——外延和异质结构器件技术。长期以来，我们只知道在一块同质半导体上制造器件。异质外延技术的出现，使不同能隙和介电常数的半导体在几个纳米范围内接触。在合金半导体器件中，除了有杂质浓度变化外，还存在能隙梯度。不同的半导体材料，晶格常数不同，异质外延产生的应力可作为器件设计的一个参数。数字模型和计算资源中还没有包含上述变量。这是由于与简单材料器件相比，合金器件的基本知识积累还远远不够。
30年来，新知识和新方法不断融入固体电子技术，使信息处理器件不断向高功效方向发展。目前，实验室里已在研究未来10年生产信息硬件的技术手段。优选新的技术，强烈地依赖模型和模拟分析。作为分析基础的凝聚态物理的局限，也许将是电子技术未来最为基本的障碍。
（Physics Today，1992年8月号）