晶體管的誕生史

晶體管的誕生史20世紀(jì)初，科學(xué)家們知道如何通過將尖銳的金屬探針與半導(dǎo)體晶體接觸來制造兩端二極管。這些點接觸二極管可以將振蕩信號變?yōu)榉€(wěn)定信號，并廣泛用作晶體無線電接收器中的檢測器。到1920年代，發(fā)明家開始研究使用半導(dǎo)體來放大和切換信號。一些最早的半導(dǎo)體放大器工作來自東歐。1922-23年，列寧格勒Nizhegorod無線電實驗室的俄羅斯工程師OlegLosev發(fā)現(xiàn)點接觸鋅礦(ZnO)晶體二極管的一種特殊工作模式支持高達5MHz的信號放大。盡管Losev多年來一直在無線電電路中試驗這種材料，但他于1942年的列寧格勒圍城戰(zhàn)中死去，無法為他在歷史上的地位辯護，所以他的作品基本上不為人知。奧匈帝國物理學(xué)家JuliusE.Lilienfeld移居美國，并于1926年申請了“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，但沒有證據(jù)表明他制造了一個工作放大器。然而，他的專利與后來的場效應(yīng)晶體管有足夠的相似之處，因此拒絕了未來對該結(jié)構(gòu)的專利申請。德國科學(xué)家也為這項早期研究做出了貢獻。1934年在英國劍橋大學(xué)工作時，德國電氣工程師和發(fā)明家OskarHeil申請了一項專利，該專利通過電極上的電容耦合控制半導(dǎo)體中的電流——本質(zhì)上是場效應(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)用三個電極對溴化鉀晶體進行了實驗。他們報告了低頻（約1赫茲）信號的放大。這些研究都沒有帶來任何應(yīng)用，但Heil因其在高保真揚聲器中使用的空氣運動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年代后期美國電話電報公司的工程師就知道真空管電路無法滿足公司對電話容量快速增長的需求。貝爾實驗室的研究主管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)爭期間為雷達探測器開發(fā)的改進半導(dǎo)體材料試驗了一種場效應(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阻止電場滲透到材料中。在Shockley的指導(dǎo)下，Bardeen與物理學(xué)家WalterBrattain一起開始研究這些“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牧場定居。他在俄勒岡大學(xué)獲得碩士學(xué)位，在明尼蘇達大學(xué)獲得博士學(xué)位。Brattain于1929年作為研究物理學(xué)家加入貝爾實驗室，在那里他被認(rèn)為是一名熟練的實驗家。理論物理學(xué)家約翰·巴?。↗ohnBardeen，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。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，在那里他對固態(tài)物理學(xué)產(chǎn)生了興趣。在秘密代號“TheSurfaceStateJob”下，他們的項目是美國電話電報公司的研究機構(gòu)貝爾實驗室的一個重要優(yōu)先事項，旨在尋找體積更小、功率更低的替代品來替代笨重、耗電的真空管。實驗室的研究主任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來研究固體。WilliamBradfordShockley出生于英國倫敦，父母是美國人，他在加利福尼亞州帕洛阿爾托度過了他的青年時代，那里距離著名的惠普車庫僅幾碼之遙。作為一個早熟的孩子，他“脾氣暴躁，被寵壞了，幾乎無法控制，這讓溺愛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論說，肖克利“可以看到電子”，但Shockley自負(fù)且反復(fù)無常，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，他寫道：“今天我想到，原則上可以使用半導(dǎo)體而不是真空滾來制造放大器?！盉rattain協(xié)助Shockley對我們今天稱之為場效應(yīng)晶體管(FET)的想法進行了實驗，但沒有取得有用的結(jié)果。但隨之而來的第二次世界大戰(zhàn)打亂了這項工作，但在1945年肖克利聘請約翰巴丁并請他看看他是否能發(fā)現(xiàn)他的設(shè)計有什么問題時，它又恢復(fù)了。Bardeen最初得出結(jié)論，它應(yīng)該有效。FET是一種使用電場來控制半導(dǎo)體材料中電流流動的器件。肖克利在麻省理工學(xué)院時代發(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。1946年3月19日，巴丁從理論上確定這種說法不成立。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)，從而形成運動障礙。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，在實驗室實驗中，他們證明了屏障的存在。作為他們的經(jīng)理，肖克利會就如何打破障礙提出建議，但不會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之間施加電壓，以產(chǎn)生垂直于表面的強電場。在電觸點接觸材料的點滴一滴液態(tài)電解質(zhì)，中和了表面狀態(tài)，并在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了可測量的場效應(yīng)。按照Bardeen的建議，用一個被電解質(zhì)包圍的尖銳金屬點探測表面，11月21日，Brattain制作了一個功能放大器，盡管頻率非常低。在肖克利所謂的“魔法月”期間，在黑板和實驗室長椅上進行了幾周的長時間和狂熱的活動，結(jié)合處理材料的偶然“意外”和聰明的直覺，利用他們所學(xué)的知識，在沒有電解質(zhì)的存在。Bardeen計算出減少兩個觸點之間的距離會增強效果。Brattain想出了一種巧妙的方法，將金箔粘合到一個塑料楔子上，然后用外科手術(shù)精確地用剃須刀片切割尖端，以創(chuàng)建兩個由一張紙的寬度分開的接觸點。1947年12月16日星期二下午，他們連接了一個彈簧，將這個粗糙的裝置牢牢地壓在鍺表面上。Brattain發(fā)現(xiàn)，如果他把它擺動得恰到好處，“我就有了一個放大倍數(shù)為100的放大器，清晰到音頻范圍?！庇谑牵虘B(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，他對在廚房剝胡蘿卜的妻子隨口說了一句：“今天有發(fā)現(xiàn)?！薄澳翘昧?，”她下意識地回答。一段時間后，Jane發(fā)現(xiàn)那個東西是晶體管。值得一提的是，同年年初，德國物理學(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，在法國巴黎的西屋實驗室獨立制造了一種基于鍺的放大器，其表面有兩個點接觸點。當(dāng)他們得知貝爾實驗室的公告時，Mataré和Welker為他們自己的設(shè)備申請了專利，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F隊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。但是，他同樣意識到他們的突破的重要性，并計劃于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)和耳機記錄道，“這個電路實際上已經(jīng)被討論過并且......可以在示波器演示中聽到和看到?！笨杀氖牵瑳]有人記得說了什么，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)，貝爾實驗室的專利代理人開始記錄他們的工作并準(zhǔn)備公開宣布。由于肖克利的自我驅(qū)動和自我推銷活動使他成為貝爾實驗室最引人注目的代言人，命令下達了要求，在他不在場的情況下，不得給Bardeen和Brattain拍照。當(dāng)時的宣傳照片顯示他在現(xiàn)場的正面和中心。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的意義”。紐約時報不為所動，將這個故事降級到“廣播新聞”頁面——低于肥皂劇贊助商的公告。Brattain的同事JohnPierce被認(rèn)為是想出這個名字的人。他同時也意識到它是根據(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WesternElectric于1951年開始制造點接觸晶體管，到1952年年中，每月生產(chǎn)6,000多個器件，主要用于電話交換系統(tǒng)和助聽器。根據(jù)Brattain的說法，Shockley正在推動將他的一些想法納入他們的專利申請，“演示后不久，Bardeen和我分別打電話給我們，并告訴我們有時做這項工作的人并沒有得到我告訴他，‘哦見鬼，Shockley，這對每個人來說都有足夠的榮耀了。”但他獨自離開，在家工作，在某種程度上不再是研究團隊的一員了?！比欢谒麑斫獍雽?dǎo)體物理學(xué)的理論貢獻和他發(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，以表彰“半導(dǎo)體研究和晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)”。由于嫉妒沒有更明顯地參與晶體管的發(fā)明，以及保持他相對于下屬的地位的需要，肖克利開始了為期一個月的密集理論活動。他確定點接觸晶體管操作不是假設(shè)的近表面場效應(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，事實證明它比點接觸器件更可靠，也更容易批量生產(chǎn)。在貝爾實驗室于1951年7月4日宣布取得進展之前，制造工作晶體管仍然是一項艱巨的挑戰(zhàn)。他的版本通過啟用新一代強大的計算機成為未來數(shù)十年的主要有源電子構(gòu)建塊。值得一提的是，基于他對理解半導(dǎo)體物理學(xué)的理論貢獻和他發(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，以表彰“半導(dǎo)體研究和晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)”。而在接下來的發(fā)展中，開發(fā)了許多不同的制造方法來更快、更便宜和更可靠的晶體管。1954年的一項重要進展是硅晶體管，首先由貝爾實驗室的MorrisTanenbaum開發(fā)，不久之后由新貴德州儀器公司的化學(xué)家WillisAdcock領(lǐng)導(dǎo)的團隊開發(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年推出的雙擴散硅臺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的可靠性問題。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孔詣踊a(chǎn)。它還促進了現(xiàn)代集成電路(IC)的發(fā)展。MOSFET的到來經(jīng)過幾年的發(fā)展，Lilienfeld和Heil以及Shockley失敗的早期實驗的想法也終于在1959年取得成果。當(dāng)時韓國電氣工程師DawonKahng為埃及工程師MartinM.(John)Atalla在貝爾實驗室研究半導(dǎo)體表面工作，并建立了第一個成功的效應(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。這也是后來大家熟知的MOSFET（通常簡稱為MOS），讓更小、更便宜、功