晶體管的誕生史

晶體管的誕生史20世紀(jì)初，科學(xué)家們知道如何通過(guò)將尖銳的金屬探針與半導(dǎo)體晶體接觸來(lái)制造兩端二極管。這些點(diǎn)接觸二極管可以將振蕩信號(hào)變?yōu)榉€(wěn)定信號(hào)，并廣泛用作晶體無(wú)線電接收器中的檢測(cè)器。到1920年代，發(fā)明家開(kāi)始研究使用半導(dǎo)體來(lái)放大和切換信號(hào)。一些最早的半導(dǎo)體放大器工作來(lái)自東歐。1922-23年，列寧格勒Nizhegorod無(wú)線電實(shí)驗(yàn)室的俄羅斯工程師OlegLosev發(fā)現(xiàn)點(diǎn)接觸鋅礦(ZnO)晶體二極管的一種特殊工作模式支持高達(dá)5MHz的信號(hào)放大。盡管Losev多年來(lái)一直在無(wú)線電電路中試驗(yàn)這種材料，但他于1942年的列寧格勒圍城戰(zhàn)中死去，無(wú)法為他在歷史上的地位辯護(hù)，所以他的作品基本上不為人知。奧匈帝國(guó)物理學(xué)家JuliusE.Lilienfeld移居美國(guó)，并于1926年申請(qǐng)了“控制電流的方法和裝置”的專利，其中他描述了一種使用硫化銅半導(dǎo)體材料的三電極放大裝置。Lilienfeld被認(rèn)為發(fā)明了電解電容器，但沒(méi)有證據(jù)表明他制造了一個(gè)工作放大器。然而，他的專利與后來(lái)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管有足夠的相似之處，因此拒絕了未來(lái)對(duì)該結(jié)構(gòu)的專利申請(qǐng)。德國(guó)科學(xué)家也為這項(xiàng)早期研究做出了貢獻(xiàn)。1934年在英國(guó)劍橋大學(xué)工作時(shí)，德國(guó)電氣工程師和發(fā)明家OskarHeil申請(qǐng)了一項(xiàng)專利，該專利通過(guò)電極上的電容耦合控制半導(dǎo)體中的電流——本質(zhì)上是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。1938年，羅伯特·波爾(RobertPohl)和魯?shù)婪颉ず諣栂?RudolfHilsch)在哥廷根大學(xué)用三個(gè)電極對(duì)溴化鉀晶體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他們報(bào)告了低頻（約1赫茲）信號(hào)的放大。這些研究都沒(méi)有帶來(lái)任何應(yīng)用，但Heil因其在高保真揚(yáng)聲器中使用的空氣運(yùn)動(dòng)變壓器而在今天的發(fā)燒友圈中被人們銘記。天才肖克利由于其可靠性差和功耗大，到1930年代后期美國(guó)電話電報(bào)公司的工程師就知道真空管電路無(wú)法滿足公司對(duì)電話容量快速增長(zhǎng)的需求。貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究主管MervinJ.Kelly指派WilliamShockley研究使用半導(dǎo)體技術(shù)替代電子管的可能性。1945年初，肖克利使用戰(zhàn)爭(zhēng)期間為雷達(dá)探測(cè)器開(kāi)發(fā)的改進(jìn)半導(dǎo)體材料試驗(yàn)了一種場(chǎng)效應(yīng)放大器，其概念類似于Heil和Lilienfeld的專利，但未能如他所愿地工作。物理學(xué)家約翰·巴丁(JohnBardeen)提出，半導(dǎo)體表面的電子可能會(huì)阻止電場(chǎng)滲透到材料中。在Shockley的指導(dǎo)下，Bardeen與物理學(xué)家WalterBrattain一起開(kāi)始研究這些“表面狀態(tài)”的行為。WalterHouserBrattain（1902-1987）跟隨父母在華盛頓州托納斯基特附近的一個(gè)牧場(chǎng)定居。他在俄勒岡大學(xué)獲得碩士學(xué)位，在明尼蘇達(dá)大學(xué)獲得博士學(xué)位。Brattain于1929年作為研究物理學(xué)家加入貝爾實(shí)驗(yàn)室，在那里他被認(rèn)為是一名熟練的實(shí)驗(yàn)家。理論物理學(xué)家約翰·巴丁（JohnBardeen，1908-1991年）出生于威斯康星州麥迪遜市，曾作為神童在學(xué)校跳了三年級(jí)。他在威斯康星大學(xué)獲得碩士學(xué)位，在普林斯頓大學(xué)獲得博士學(xué)位，在那里他對(duì)固態(tài)物理學(xué)產(chǎn)生了興趣。在秘密代號(hào)“TheSurfaceStateJob”下，他們的項(xiàng)目是美國(guó)電話電報(bào)公司的研究機(jī)構(gòu)貝爾實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)重要優(yōu)先事項(xiàng)，旨在尋找體積更小、功率更低的替代品來(lái)替代笨重、耗電的真空管。實(shí)驗(yàn)室的研究主任MervinJ.Kelly認(rèn)為晶體半導(dǎo)體材料，如鍺或硅，可能提供解決方案。為此在1936年，他從麻省理工學(xué)院(MIT)招募了WilliamShockley來(lái)研究固體。WilliamBradfordShockley出生于英國(guó)倫敦，父母是美國(guó)人，他在加利福尼亞州帕洛阿爾托度過(guò)了他的青年時(shí)代，那里距離著名的惠普車庫(kù)僅幾碼之遙。作為一個(gè)早熟的孩子，他“脾氣暴躁，被寵壞了，幾乎無(wú)法控制，這讓溺愛(ài)他的父母的生活變得悲慘”。他在加州理工學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，在麻省理工學(xué)院獲得理論物理學(xué)博士學(xué)位。才華橫溢的英特爾公司戈登摩爾評(píng)論說(shuō)，肖克利“可以看到電子”，但Shockley自負(fù)且反復(fù)無(wú)常，因此雖然他得到管理層的支持，但在同行中不太受歡迎。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者CharlesTownes更是直言：“他什么都懂，就是不懂人?！?939年，肖克利確信他可以找到基于固體材料的解決方案，他寫(xiě)道：“今天我想到，原則上可以使用半導(dǎo)體而不是真空滾來(lái)制造放大器。”Brattain協(xié)助Shockley對(duì)我們今天稱之為場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的想法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但沒(méi)有取得有用的結(jié)果。但隨之而來(lái)的第二次世界大戰(zhàn)打亂了這項(xiàng)工作，但在1945年肖克利聘請(qǐng)約翰巴丁并請(qǐng)他看看他是否能發(fā)現(xiàn)他的設(shè)計(jì)有什么問(wèn)題時(shí)，它又恢復(fù)了。Bardeen最初得出結(jié)論，它應(yīng)該有效。FET是一種使用電場(chǎng)來(lái)控制半導(dǎo)體材料中電流流動(dòng)的器件。肖克利在麻省理工學(xué)院時(shí)代發(fā)表了一篇論文，假設(shè)表面附近的電子可以像材料主體中的電子一樣自由移動(dòng)。1946年3月19日，巴丁從理論上確定這種說(shuō)法不成立。他得出結(jié)論，該區(qū)域的電子必須被捕獲，從而產(chǎn)生一種表面狀態(tài)，從而形成運(yùn)動(dòng)障礙。Bardeen和Brattain在物理學(xué)家GeraldPearson和化學(xué)家RobertGibney的幫助下，致力于弄清楚他是否正確。到1947年初，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，他們證明了屏障的存在。作為他們的經(jīng)理，肖克利會(huì)就如何打破障礙提出建議，但不會(huì)參與他們的日常工作。神奇的11月11月17日星期一，Gibney建議Brattain在上表面的金屬板和鍺晶體板背面的觸點(diǎn)之間施加電壓，以產(chǎn)生垂直于表面的強(qiáng)電場(chǎng)。在電觸點(diǎn)接觸材料的點(diǎn)滴一滴液態(tài)電解質(zhì)，中和了表面狀態(tài)，并在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了可測(cè)量的場(chǎng)效應(yīng)。按照Bardeen的建議，用一個(gè)被電解質(zhì)包圍的尖銳金屬點(diǎn)探測(cè)表面，11月21日，Brattain制作了一個(gè)功能放大器，盡管頻率非常低。在肖克利所謂的“魔法月”期間，在黑板和實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)椅上進(jìn)行了幾周的長(zhǎng)時(shí)間和狂熱的活動(dòng)，結(jié)合處理材料的偶然“意外”和聰明的直覺(jué)，利用他們所學(xué)的知識(shí)，在沒(méi)有電解質(zhì)的存在。Bardeen計(jì)算出減少兩個(gè)觸點(diǎn)之間的距離會(huì)增強(qiáng)效果。Brattain想出了一種巧妙的方法，將金箔粘合到一個(gè)塑料楔子上，然后用外科手術(shù)精確地用剃須刀片切割尖端，以創(chuàng)建兩個(gè)由一張紙的寬度分開(kāi)的接觸點(diǎn)。1947年12月16日星期二下午，他們連接了一個(gè)彈簧，將這個(gè)粗糙的裝置牢牢地壓在鍺表面上。Brattain發(fā)現(xiàn)，如果他把它擺動(dòng)得恰到好處，“我就有了一個(gè)放大倍數(shù)為100的放大器，清晰到音頻范圍?！庇谑?，固態(tài)半導(dǎo)體放大器誕生。Bardeen和Brattain晶體管的元件他和布拉頓一致認(rèn)為：“我們應(yīng)該告訴肖克利我們今天做了什么?！盉ardeen很少在家里討論他的工作；然而，那天晚上，他對(duì)在廚房剝胡蘿卜的妻子隨口說(shuō)了一句：“今天有發(fā)現(xiàn)?！薄澳翘昧耍彼乱庾R(shí)地回答。一段時(shí)間后，Jane發(fā)現(xiàn)那個(gè)東西是晶體管。值得一提的是，同年年初，德國(guó)物理學(xué)家赫伯特·馬塔雷(HerbertMataré)和他的同事海因里?！ろf爾克(HeinrichWelker)在研究一種他稱之為“干涉”的現(xiàn)象時(shí)，在法國(guó)巴黎的西屋實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立制造了一種基于鍺的放大器，其表面有兩個(gè)點(diǎn)接觸點(diǎn)。當(dāng)他們得知貝爾實(shí)驗(yàn)室的公告時(shí)，Mataré和Welker為他們自己的設(shè)備申請(qǐng)了專利，他們稱之為“晶體管”。晶體管終于誕生肖克利承認(rèn)，Bardeen和Brattain的消息在其心中激起了矛盾的情緒?！拔覍?duì)團(tuán)隊(duì)成功的欣喜與不是發(fā)明者之一的挫敗感相抵消?！毙た死f(shuō)。但是，他同樣意識(shí)到他們的突破的重要性，并計(jì)劃于1947年12月23日星期二下午為貝爾高管安排了一次放大器演示。Brattain對(duì)1947年12月23日展示的記錄Brattain在他的筆記本上用麥克風(fēng)和耳機(jī)記錄道，“這個(gè)電路實(shí)際上已經(jīng)被討論過(guò)并且......可以在示波器演示中聽(tīng)到和看到?！笨杀氖牵瑳](méi)有人記得說(shuō)了什么，只記得它起作用了。肖克利稱其為“絕妙的圣誕禮物”。圣誕節(jié)后的幾天內(nèi)，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專利代理人開(kāi)始記錄他們的工作并準(zhǔn)備公開(kāi)宣布。由于肖克利的自我驅(qū)動(dòng)和自我推銷活動(dòng)使他成為貝爾實(shí)驗(yàn)室最引人注目的代言人，命令下達(dá)了要求，在他不在場(chǎng)的情況下，不得給Bardeen和Brattain拍照。當(dāng)時(shí)的宣傳照片顯示他在現(xiàn)場(chǎng)的正面和中心。1948年6月30日在紐約舉行的第一次新聞發(fā)布會(huì)上，一位發(fā)言人聲稱晶體管“可能在電子和電氣通信方面具有深遠(yuǎn)的意義”。紐約時(shí)報(bào)不為所動(dòng)，將這個(gè)故事降級(jí)到“廣播新聞”頁(yè)面——低于肥皂劇贊助商的公告。Brattain的同事JohnPierce被認(rèn)為是想出這個(gè)名字的人。他同時(shí)也意識(shí)到它是根據(jù)跨電阻原理工作的，皮爾斯從稱為電阻器的相關(guān)電子元件中衍生出晶體管。AT&T的設(shè)備部門(mén)WesternElectric于1951年開(kāi)始制造點(diǎn)接觸晶體管，到1952年年中，每月生產(chǎn)6,000多個(gè)器件，主要用于電話交換系統(tǒng)和助聽(tīng)器。根據(jù)Brattain的說(shuō)法，Shockley正在推動(dòng)將他的一些想法納入他們的專利申請(qǐng)，“演示后不久，Bardeen和我分別打電話給我們，并告訴我們有時(shí)做這項(xiàng)工作的人并沒(méi)有得到我告訴他，‘哦見(jiàn)鬼，Shockley，這對(duì)每個(gè)人來(lái)說(shuō)都有足夠的榮耀了?！钡?dú)自離開(kāi)，在家工作，在某種程度上不再是研究團(tuán)隊(duì)的一員了?！比欢谒麑?duì)理解半導(dǎo)體物理學(xué)的理論貢獻(xiàn)和他發(fā)明的結(jié)型晶體管，肖克利與巴丁和布拉頓一起接受了1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰“半導(dǎo)體研究和晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)”。由于嫉妒沒(méi)有更明顯地參與晶體管的發(fā)明，以及保持他相對(duì)于下屬的地位的需要，肖克利開(kāi)始了為期一個(gè)月的密集理論活動(dòng)。他確定點(diǎn)接觸晶體管操作不是假設(shè)的近表面場(chǎng)效應(yīng)，而是由于晶體主體中稱為PN結(jié)的完全不同的結(jié)構(gòu)。由于這項(xiàng)工作，肖克利于1948年1月23日構(gòu)想出一種截然不同的元件，稱為結(jié)型晶體管，事實(shí)證明它比點(diǎn)接觸器件更可靠，也更容易批量生產(chǎn)。在貝爾實(shí)驗(yàn)室于1951年7月4日宣布取得進(jìn)展之前，制造工作晶體管仍然是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。他的版本通過(guò)啟用新一代強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)成為未來(lái)數(shù)十年的主要有源電子構(gòu)建塊。值得一提的是，基于他對(duì)理解半導(dǎo)體物理學(xué)的理論貢獻(xiàn)和他發(fā)明的結(jié)型晶體管，肖克利與巴Bardeen和Brattain一起接受了1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰“半導(dǎo)體研究和晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)”。而在接下來(lái)的發(fā)展中，開(kāi)發(fā)了許多不同的制造方法來(lái)更快、更便宜和更可靠的晶體管。1954年的一項(xiàng)重要進(jìn)展是硅晶體管，首先由貝爾實(shí)驗(yàn)室的MorrisTanenbaum開(kāi)發(fā)，不久之后由新貴德州儀器公司的化學(xué)家WillisAdcock領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)。到20世紀(jì)50年代末，硅已成為業(yè)界首選材料，TI成為主要的半導(dǎo)體供應(yīng)商。隨后，傳奇公告Fairchild在1958年推出的雙擴(kuò)散硅臺(tái)面晶體管取得了巨大的商業(yè)成功。瑞士物理學(xué)家JeanHoerni的革命性平面工藝解決了威脅公司未來(lái)的可靠性問(wèn)題。Hoerni的平面技術(shù)不僅將晶體管制造從半手工操作轉(zhuǎn)變?yōu)榇笈孔詣?dòng)化生產(chǎn)。它還促進(jìn)了現(xiàn)代集成電路(IC)的發(fā)展。MOSFET的到來(lái)經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，Lilienfeld和Heil以及Shockley失敗的早期實(shí)驗(yàn)的想法也終于在1959年取得成果。當(dāng)時(shí)韓國(guó)電氣工程師DawonKahng為埃及工程師MartinM.(John)Atalla在貝爾實(shí)驗(yàn)室研究半導(dǎo)體表面工作，并建立了第一個(gè)成功的效應(yīng)晶體管(FET：field-effecttransistor)，由金屬（M–柵極）、氧化物（O–絕緣）和硅（S–半導(dǎo)體）層組成。這也是后來(lái)大家熟知的MOSFET（通常簡(jiǎn)稱為MOS），讓更小、更便宜、功