電子發燒友App
20世紀初，科學家們知道如何通過將尖銳的金屬探針與半導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為穩定信號，并廣泛用作晶體無線電接收器中的檢測器。到 1920 年代，發明家開始研究使用半導體來放大和切換信號。
一些最早的半導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 Oleg Losev 發現點接觸鋅礦 (ZnO) 晶體二極管的一種特殊工作模式支持高達 5 MHz 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。
奧匈帝國物理學家 Julius E. 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體材料的三電極放大裝置。Lilienfeld 被認為發明了電解電容器，但沒有證據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晶體管有足夠的相似之處，因此拒絕了未來對該結構的專利申請。
德國科學家也為這項早期研究做出了貢獻。1934 年在英國劍橋大學工作時，德國電氣工程師和發明家 Oskar Heil 申請了一項專利，該專利通過電極上的電容耦合控制半導體中的電流——本質上是場效應晶體管。
1938 年，羅伯特·波爾 (Robert Pohl) 和魯道夫·赫爾希 (Rudolf Hilsch) 在哥廷根大學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 Mervin J. Kelly 指派 William Shockley 研究使用半導體技術替代電子管的可能性。
1945 年初，肖克利使用戰爭期間為雷達探測器開發的改進半導體材料試驗了一種場效應放大器，其概念類似于Heil和Lilienfeld的專利，但未能如他所愿地工作。物理學家約翰·巴丁 (John Bardeen) 提出，半導體表面的電子可能會阻止電場滲透到材料中。
在 Shockley 的指導下，Bardeen 與物理學家 Walter Brattain 一起開始研究這些“表面狀態”的行為。
Walter Houser Brattain（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。他在俄勒岡大學獲得碩士學位，在明尼蘇達大學獲得博士學位。Brattain 于 1929 年作為研究物理學家加入貝爾實驗室，在那里他被認為是一名熟練的實驗家。
理論物理學家約翰·巴丁（John Bardeen，1908-1991 年）出生于威斯康星州麥迪遜市，曾作為神童在學校跳了三年級。他在威斯康星大學獲得碩士學位，在普林斯頓大學獲得博士學位，在那里他對固態物理學產生了興趣。
在秘密代號“The Surface State Job”下，他們的項目是美國電話電報公司的研究機構貝爾實驗室的一個重要優先事項，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 Mervin J. Kelly 認為晶體半導體材料，如鍺或硅，可能提供解決方案。為此在1936 年，他從麻省理工學院 (MIT) 招募了 William Shockley 來研究固體。
William Bradford Shockley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”。他在加州理工學院獲得學士學位，在麻省理工學院獲得理論物理學博士學位。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自負且反復無常，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Charles Townes更是直言：“他什么都懂，就是不懂人。”
1939 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體而不是真空滾來制造放大器。” Brattain 協助 Shockley 對我們今天稱之為場效應晶體管 (FET) 的想法進行了實驗，但沒有取得有用的結果。
但隨之而來的第二次世界大戰打亂了這項工作，但在1945年肖克利聘請約翰巴丁并請他看看他是否能發現他的設計有什么問題時，它又恢復了。Bardeen 最初得出結論，它應該有效。
FET 是一種使用電場來控制半導體材料中電流流動的器件。肖克利在麻省理工學院時代發表了一篇論文，假設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。他得出結論，該區域的電子必須被捕獲，從而產生一種表面狀態，從而形成運動障礙。
Bardeen 和 Brattain 在物理學家 Gerald Pearson 和化學家 Robert Gibney 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電解質，中和了表面狀態，并在結構中產生了可測量的場效應。
按照 Bardeen 的建議，用一個被電解質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，結合處理材料的偶然“意外”和聰明的直覺，利用他們所學的知識，在沒有電解質的存在。
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，然后用外科手術精確地用剃須刀片切割尖端，以創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 發現，如果他把它擺動得恰到好處，“我就有了一個放大倍數為 100 的放大器，清晰到音頻范圍。”
于是，固態半導體放大器誕生。
Bardeen 和 Brattain 晶體管的元件
他和布拉頓一致認為：“我們應該告訴肖克利我們今天做了什么。”
Bardeen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：“今天有發現。” “那太好了，”她下意識地回答。一段時間后，Jane發現那個東西是晶體管。
值得一提的是，同年年初，德國物理學家赫伯特·馬塔雷 (Herbert Mataré) 和他的同事海因里希·韋爾克 (Heinrich Welker) 在研究一種他稱之為“干涉”的現象時，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。當他們得知貝爾實驗室的公告時，Mataré 和 Welker 為他們自己的設備申請了專利，他們稱之為“晶體管”。
晶體管終于誕生
肖克利承認，Bardeen 和 Brattain的消息在其心中激起了矛盾的情緒。“我對團隊成功的欣喜與不是發明者之一的挫敗感相抵消。” 肖克利說。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和耳機記錄道，“這個電路實際上已經被討論過并且......可以在示波器演示中聽到和看到。” 可悲的是，沒有人記得說了什么，只記得它起作用了。肖克利稱其為“絕妙的圣誕禮物”。
圣誕節后的幾天內，貝爾實驗室的專利代理人開始記錄他們的工作并準備公開宣布。由于肖克利的自我驅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。當時的宣傳照片顯示他在現場的正面和中心。
1948 年 6 月 30 日在紐約舉行的第一次新聞發布會上，一位發言人聲稱晶體管“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 John Pierce 被認為是想出這個名字的人。他同時也意識到它是根據跨電阻原理工作的，皮爾斯從稱為電阻器的相關電子元件中衍生出晶體管。
AT&T 的設備部門 Western Electric 于 1951 年開始制造點接觸晶體管，到 1952 年年中，每月生產 6,000 多個器件，主要用于電話交換系統和助聽器。
根據 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。”
然而基于他對理解半導體物理學的理論貢獻和他發明的結型晶體管，肖克利與巴丁和布拉頓一起接受了 1956 年諾貝爾物理學獎，以表彰“半導體研究和晶體管效應的發現”。
由于嫉妒沒有更明顯地參與晶體管的發明，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的近表面場效應，而是由于晶體主體中稱為 PN 結的完全不同的結構。
由于這項工作，肖克利于 1948 年 1 月 23 日構想出一種截然不同的元件，稱為結型晶體管，事實證明它比點接觸器件更可靠，也更容易批量生產。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。他的版本通過啟用新一代強大的計算機成為未來數十年的主要有源電子構建塊。
值得一提的是，基于他對理解半導體物理學的理論貢獻和他發明的結型晶體管，肖克利與巴Bardeen 和 Brattain一起接受了 1956 年諾貝爾物理學獎，以表彰“半導體研究和晶體管效應的發現”。
而在接下來的發展中，開發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 Morris Tanenbaum 開發，不久之后由新貴德州儀器公司的化學家 Willis Adcock 領導的團隊開發。到 20 世紀 50 年代末，硅已成為業界首選材料，TI 成為主要的半導體供應商。
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成功。瑞士物理學家 Jean Hoerni 的革命性平面工藝解決了威脅公司未來的可靠性問題。Hoerni 的平面技術不僅將晶體管制造從半手工操作轉變為大批量自動化生產。它還促進了現代集成電路 (IC) 的發展。
MOSFET的到來
經過幾年的發展，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。當時韓國電氣工程師 Dawon Kahng 為埃及工程師 Martin M. (John) Atalla 在貝爾實驗室研究半導體表面工作，并建立了第一個成功的效應晶體管 (FET：field-effect transistor )，由金屬（M–柵極）、氧化物（O – 絕緣）和硅（S – 半導體）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、功率更低的晶體管成為可能。
Fairchild 和 RCA 于 1964 年推出了商用 MOS 晶體管。但在用 MOS 工藝解決早期制造問題的十年中，計算機系統中的單個晶體管在很大程度上已被 IC 取代。從長遠來看，MOS 晶體管被證明是構建高密度 IC（例如微處理器和存儲器）的最實用方法。每天制造的數十億個晶體管中，接近 100% 是 MOS 器件。
與大多數技術發展一樣，現代晶體管的發明遵循培根式模式，即從真正國際化的工程師和科學家群體建立的“不斷增長的知識庫”中逐漸出現，而不是從一個英雄的“發明家”的單獨努力中產生。”
編輯：黃飛
?
工商網監
評論