信息时代的“建材”——晶体管,已经走过了70年

来源: 《现代物理知识》

发布日期: 2018-01-23 07:30:00

1947年12月23日,美国贝尔实验室成功演示了第一个基于锗半导体的点接触式晶体管,标志着现代半导体产业的诞生。晶体管的发明是20世纪最重要的科技成就之一,至今已有70多年历史。晶体管的诞生推动了半导体科技的发展,从最初的电子管到现在的集成电路和微处理器,极大地改变了信息时代的技术面貌。半导体科技的发展是材料、物理和器件三者相互促进的结果,基础科学研究对国民经济和国防安全有着重大意义。中国在半导体领域的研究和生产体系已初步建立,但与国际先进水平仍有差距,需要更多的投入和时间来追赶。

1947年12月23日,美国贝尔实验室正式地成功演示了第一个基于锗半导体的具有放大功能的点接触式晶体管,标志着现代半导体产业的诞生和信息时代的开启。晶体管可以说是20世纪最重要的发明,到今天已经70多年了。严格地说,晶体管泛指一切的单个半导体元件,经常用来指代半导体材料制成的三极管、场效应管,等等。

它的英文名字是transistor,来自于trans-resistance(即transfer resistance),也就是所谓的“跨阻”,指的是输出端电压变化与输入端电流变化的比值(单位是欧姆),反映了输入对输出的影响能力。

晶体三极管进入中国的时候,真空三极管还在广泛使用,晶体三极管的巨大成功使得晶体管不仅特指与英文原名transistor 似乎关系不大的晶体三极管,更是泛指了所有的单个半导体元件。在晶体管诞生之前,电信号的放大主要是通过电子管(真空三极管)。

这种器件是1907年由德福雷斯特(L. Forest )发明的,其实质是在1904年弗莱明(J. Fleming)发明的真空二极管的阴极和阳极之间添加了另一个电极(所以称为“三极管”),从而实现了电流的放大功能,后来又因为“反馈”概念的引入而进一步改善了器件性能。真空三极管制作起来很困难、寿命很短,而且体积大、耗能高、易损坏,严重限制了其应用范围,人们一直希望能够用固态器件来替换它。

一个简单的想法(但是在当时很难实现)就是,往半导体整流器(二极管)里放置一个栅极。

1938年,德国的希尔什(R. Hilsch)和珀尔(R.Pohl)把三个电极插入溴化钾晶体里,成功地演示了第一个基于色心的晶体管模型,可惜其工作频率只有1 Hz 甚至更差。此后,其他人也做过一些尝试,但是都没有成功。

1945年,贝尔实验室计划针对几种新材料(包括硅和锗)进行有目标的基础研究(类似于我们现在说的“应用基础研究”),以了解其潜在的应用前景。为此成立了“半导体小组”,肖克利(W. Shockley)是组长,成员包括巴丁(J. Bardeen)和布拉顿(W.Brattain)。肖克利和巴丁都是理论物理学家,而布拉顿则是实验物理学家(图1)。

起初的工作是基于肖克利偏爱的金属-半导体结构,在多次尝试失败之后,巴丁认识到半导体的表面缺陷有着非常不利的影响,必须找到“钝化”表面(消除缺陷)的方法。从1947年11月起的短短几个月时间里,他们取得了重大的进展,终于实现了第一个半导体晶体管。

从20世纪50年代起,晶体管开始逐渐替代真空电子管,并最终实现了集成电路和微处理器的大批量生产。起初,晶体管和晶体管化的设备并不受欢迎,因为它太贵了。但是美国军方很感兴趣,因为军用设备对便携性、可靠性和耐用性有着特殊的要求。在50年代的大部分时间里,正是美国军方的支持才让年轻的晶体管产业生存下来。

1956年,巴丁、布拉顿和肖克利因为晶体管的发明而获得了诺贝尔物理学奖。晶体管发明的历史其实很复杂,牵扯到科学和技术、团体和社会之间的微妙关系,详细的描述可以参阅科学史专著①和科普书籍②③。

晶体管发明之前的半导体科技第二次世界大战刚刚结束两年,晶体管就被成功地研制出来了。为什么是这个时候?为什么不能更早些呢?因为半导体科技的发展是材料、物理和器件这三者相互促进、相辅相成的结果:为了制作性能好的器件,需要了解材料的物理特性以及相应的物理过程和规律,而这又需要可靠的仪器来测量质量足够好的材料。此前的条件还不够成熟。

半导体科学研究始于19世纪初叶,那时候研究的都是自然界里的材料(矿石晶体):1833年,法拉第(M. Faraday)在研究硫化银的电导时,第一次观察到电阻的负温度系数;1873年,史密斯(W. Smith)在体材料硒中发现光电导效应;1874年,布劳恩(K.Braun)在一些金属硫化物表面发现了整流效应;1876年,亚当斯(W. Adams)和戴伊(R. Day)在硒材料里发现了光伏效应;1879年,霍尔(E. Hall)发现了现在所谓的“霍尔效应”,并在某些材料中发现了带有正电荷的载流子。

也就是说,在晶体管发明之前70年,人们已经发现了半导体材料的几大基本特性:电阻率的负温度系数和光电导效应(都是体材料的效应),光伏效应和整流效应(某种半导体与其他材料之间的接触效应),存在正电荷的载流子(这就是半导体中的“空穴”)。

回顾晶体管诞生以来国际半导体科技发展的七十年历史,我们不难看到,基础科学研究对国民经济和国防安全有着重大意义,而科技产业的需求反过来又进一步推动了基础科学研究的进步,2014年获得诺贝尔物理学奖的白光LED就是一个很好的例证,而且正在为全球性的节能减排工作做出重大的贡献。对于半导体科技这种关系国计民生的高投入、高产出的重大领域,没有长远的规划、没有充分的投入,是不会有如意的结果。

现在,中国经济已经有了巨大的进步,完全有能力而且也有必要投入半导体研究:重新规划大学院系的教学模式、重新设计项目课题的研究方式、重新协调科研与生产的关系,“十年生聚,十年教训”,二十年后,无论是科研还是生产,中国应该有着最强大的半导体事业。

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