读半导体简史04晶体管

1. 雷达

1.1. Watson-Watt

• 1.1.1. 英国的科学家Watson-Watt在研究“死光”的过程中，发现使用电磁波可以定位飞行器

• 1.1.2. 1935年2月，他向英国军方展示了这一成果，雷达从这一刻起正式诞生，并受到了极大的关注

1.2. 在第二次世界大战中，飞机而不再是坦克决定着一次战役的胜败

• 1.2.1. 空战的关键在于谁能率先发现对方

• 1.2.2. 空战从飞行员的较量，演变为电子设备的对抗

• 1.2.3. 从雷达技术与无线通信的侦听破译开始，发展为全方位的信息战

• 1.2.4. 基于电子管的计算机技术，计算能力决定了破译速度

• 1.2.5. 雷达技术

1.3. 需求是发现之母，在战争这种极端环境中，雷达技术的进展一日千里

• 1.3.1. 战争阴影中诞生的雷达，在战争的过程中迅猛发展，成为具有重大军事用途的国之重器

• 1.3.2. 在二战期间，各国科学家将电子管演进到行波管、磁控管与线控管，极大增强了电磁波发射功率，使雷达的视野从几十英里延伸到几百英里

• 1.3.3. 1939年底，英国便具备了发射10cm波长电磁波的能力

1.4. 雷达的工作过程是发射电磁波并在空中传播，这些电磁波遇到目标，如飞机或者舰船之后，将重新辐射到多个方向，其中的一部分回波被雷达接收装置捕获，之后经过一系列复杂的信号处理，获得待测目标的距离、方位、速度等参数

1.5. 雷达也需要使用较短的电磁波，以便能够被更小的待测目标反射，从而获得更高的接收机灵敏度

1.6. 电子管的信噪比差，并不能长时间稳定工作

• 1.6.1. 使用矿石检波器替换电子管的呼声渐高

1.7. 肖特基曾就职于德国西门子，认为矿石检波器是由金属与晶体材料接触而形成的器件，在两者的接触点附近可能存在着势垒

1.8. 1938年，肖特基与英国布里斯托大学的莫特，在能带理论的基础上，分别独立地提出电子如何以漂移和扩散两种不同的方式跨越势垒，进一步解释了金属与半导体接触时的“单向导电性”

• 1.8.1. 漂移和扩散是电子运动的两种方式，漂移指电子在电场作用下的定向运动，而扩散指电子根据周边情况而进行的随机运动

• 1.8.2. 为了纪念肖特基的成就，将金属与半导体接触产生的势垒称为肖特基势垒

1.9. 势垒理论的成型，使科学家意识到矿石检波器的神奇，是因为石头中的特殊材料与金属接触时产生的变化引发

• 1.9.1. 纯度越高，制作的检波器质量越高，矿石检波器之所以需要寻找到合适接触点，是因为在这个接触点上的材料纯度最高

1.10. 硫化铅、硫化铜、氧化铜等一系列材料被持续提纯，用于优化矿石检波器

• 1.10.1. 材料纯度越高，检波效果越好的事实使科学家信服，这些材料具有独特的半导体属性，不是绝缘体中掺杂了导体杂质，世界上存在化学意义上的半导体材料

• 1.10.2. 贝尔实验室的罗素·奥尔(Russell Ohl)率先发现了硅的价值

1.11. 雷达工业极大促进了半导体晶体提纯技术的发展，半导体的掺杂与PN结技术也先后出现

2. 晶体管

2.1. 仙童半导体，这个公司的成就在于其自身与派生出来的公司，奠定了整个硅谷与现代半导体产业的基础

2.2. 约翰·巴丁(John Bardeen)、肖克利与沃尔特·布拉顿(Walter Brattain),三人因为对半导体的研究和发现了晶体管效应，获得了1956年的诺贝尔物理学奖

2.3. 二战之前，量子力学的出现使人类具备了研究与分析微观世界的能力

• 2.3.1. 在二战期间，相对论与量子力学促进了中子物理学的发展，原子弹的出现震惊了整个世界

2.4. 在人类历史上，重大的科技进步与战争密切相关

• 2.4.1. 青铜与铁器始于刀剑

• 2.4.2. 战舰是蒸汽机的巅峰之作

• 2.4.3. 诺贝尔发明的zha药用于枪炮

2.5. 1931年，Alan Wilson使用量子力学原理，解释了半导体材料的许多特性，出版了名为《半导体电子理论》的书籍，使用能带理论区分了半导体、导体与绝缘体，讨论了金属与半导体接触时产生的整流特性

2.6. 1932年，苏联物理学家塔姆(Igor Yevgenyevich Tamm)提出表面能级的概念，他认为晶体表面处有附加能级，塔姆通过大量的计算证明：在一定的条件约束下，处于表面的原子将在其禁带出现一个表面能级，这个能级也被称为塔姆能级

2.7. 无定形结晶，也被称为玻璃态晶体，在半导体产业中用途不广

• 2.7.1. 多晶是由多个各不相同的小晶体组成

• 2.7.2. 在半导体制作领域，多晶与单晶材料各有其用途

• 2.7.3. 基于多晶结构的硅，也被称为多晶硅，因为其更佳的高温稳定性与优良的导电性，在半导体制作中得到了广泛的应用

2.8. 其中基于单晶结构的硅，也被称为单晶硅，是制作半导体芯片的基石

• 2.8.1. 半导体领域重点关注的是整齐划一的单晶硅

• 2.8.2. 单晶硅具有非常强的点对称与平移对称特性，按照一定的规律周期排列形成

• 2.8.3. 半导体器件，如二极管，其电学特性最终由能带结构决定

• 2.8.4. 晶胞重复且长程有序的单晶硅，能带结构最为完整，最终成为半导体领域，特别是集成电路领域的产业支柱

2.9. 贝尔实验室不具备切割硅晶体的能力，Ohl将这块熔合体送至珠宝店，将其切割成各种尺寸不一的水晶状样品

2.10. 1939年2月23日，Ohl发现其中的一块水晶在光线照射后一端表现为正极，另一端表现为负极，因此将其分别称为P区与N区

2.11. Ohl发明的世界上第一个半导体PN结(Positive-Negative Junction)

• 2.11.1. PN结是半导体产业在二战期间出现的一次重大突破

2.12. Scaff和Ohl在解释其工作原理时，认为PN结由P型与N型半导体材料结合产生，P型与N型半导体是在纯净的半导体中掺杂了不同元素而获得

2.13. 掺杂将改变费米能级，进行P型掺杂时，掺杂浓度越高，费米能级越接近EV

• 2.13.1. 进行N型掺杂时，浓度越高，费米能级越接近EC

• 2.13.2. 当掺杂浓度到达某个阈值时，费米能级将不随着浓度增高而改变，这种现象也被称为费米钉扎效应

2.14. P型与N型半导体接触形成一个整体，且处于动态平衡状态时，费米能级将统一，交界处将出现能带弯曲并形成坡度，即PN结势垒，就是布拉顿即兴说出的“屏障”​

2.15. PN结的发明与掺杂技术在贝尔实验室高度保密

2.16. 二战全面爆发后，AT&T旗下的西方电气开始批量制作用于雷达的硅晶体二极管检波器，同为AT&T旗下的贝尔实验室为西方电气提供技术支持

• 2.16.1. 硅相比，锗材料具有一定的优势，熔点低利于提纯

• 2.16.2. 锗二极管可以反向承受50V的电压，而硅仅可承受3～4V的电压

2.17. 在1947年那段半导体产业的关键时期，普渡大学始终在为贝尔实验室提供锗晶体

2.18. 晶体管的出现改变了人类历史的发展轨迹，电子信息产业呼之欲出

• 2.18.1. 与电子管相比，晶体管优势巨大

• 2.18.2. 电子管的全部缺点，如体积大、能耗高、放大倍数小、有效工作时间短、制造成本高，均可以被晶体管有效克服

2.19. 在无线电领域，从电磁波的发射、检波直到信号放大这三大应用场景，晶体管可以全面替代电子管

• 2.19.1. 在数字电路领域，晶体管可以更加方便地实现“与非门”​，亦可全面替换电子管

2.20. 如果以1904～1906年弗莱明与福雷斯特发明真空电子管与三极管，作为电子信息产业的开端，那么直到1947年晶体管的出现，电子信息产业才进入新的纪元

2.21. 晶体管的出现，极大促进了电子信息产业的发展

• 2.21.1. 至20世纪60年代，集成电路脱颖而出