读芯片简史02晶体管

1. 雷达

1.1. 早在1874年，德国物理学家布劳恩就发现了一种方铅矿石半导体能整流

• 1.1.1. “猫须”整流器

1.2. 雷达在战争一开始就发挥了作用

• 1.2.1. 雷达是战争中的“眼睛”​，但早期的雷达却是“近视眼”

• 1.2.2. 在茫茫夜色中锁定目标，光靠眼睛和探照灯是非常困难的

• 1.2.3. 唯一的办法就是抓紧时间来完善雷达和相关技术：提高分辨率，将雷达做小，放到战斗机狭小的机舱里

1.3. 1939年，英国布里斯托尔大学的物理学家内维尔·弗朗西斯·莫特(Nevill Francis Mott)想通了“猫须”整流中产生单向电流的原理

1.4. 能在理论指导下做出金属-半导体点接触整流器，不仅工作频率高，而且更稳定

1.5. 在第二次世界大战期间，美国政府在雷达项目上的投入高达30亿美元，这比原子弹项目的20亿美元还多

1.6. 得益于小型机载雷达，盟军飞机能监测到水面下的潜艇

2. 拉晶法

2.1. 柴可拉斯基法

2.2. 1917年波兰的一位科学家J.柴可拉斯基(J.Czochralski)提出来的，这有点像中学化学实验中将漂亮的蓝色硫酸铜晶体从溶液中析出

2.3. 1949年3月，蒂尔成功地拉出了第一根锗单晶棒，它的少数载流子寿命比以前直接从锗锭上切割下来的长10倍以上

2.4. 在蒂尔用拉晶法拉出锗单晶时，一位名叫威廉·普凡的技术人员在1950年到1951年间想到了一种分区提炼法，进一步提高了锗晶的纯度

2.5. 普凡的方法可以使锗晶体的纯度达到99.99999999%，即每100亿个锗原子里最多只有一个杂质原子

2.6. 1951年1月，他们做出的晶体管频率超过了10MHz，达到了调幅（简称AM）广播的频率

2.7. 用拉晶法制造结型晶体管效率很低，需要一边拉晶，一边添加杂质，使得半导体变成P型或N型，这种操作一次只能做出少量的几个晶体管，无法实现大批量生产

2.8. 本来已经做好的带负电荷的N型锗晶圆，不知何故在加热炉里就变成了带正电荷的P型锗晶圆

3. 贝尔实验室

3.1. 贝尔实验室的前身是美国电话电报公司的一个研究中心

• 3.1.1. 1925年成为一个独立的研究开发机构

• 3.1.2. 成立的初衷是为美国电话电报公司提供所需的通信技术

• 3.1.3. 诞生了晶体管、太阳能光伏电池、激光、CCD图像传感器、香农信息论、UNIX操作系统和C语言等发明

3.2. 继电器是一种机电开关，控制电流产生磁场，吸引金属弹片开合，实现线路切换

3.3. 贝尔实验室里的能人一箩筐，好主意到处都是，而好问题却很稀少

3.4. 凯利1917年就加入了贝尔实验室，在真空管研究方面有着丰富的经验

3.5. 博士威廉·肖克利，肖克利曾跟随从欧洲访学回来的斯莱特研究固体物理学

• 3.5.1. 固体物理学背景，因为这是贝尔实验室无法培养的

• 3.5.2. 肖克利于1910年出生于英国，3岁时跟随父母回到美国，一家人定居在加州的帕洛阿托

3.6. 布拉顿

• 3.6.1. 1929年获得明尼苏达州立大学的物理学博士学位

• 3.6.2. 纯净的硅是电中性的，并不存在能量斜坡

• 3.6.2.1. 这就像是平整的大地，即使有水也不会流动，因此纯净的硅也无法产生电流

3.7. 拉塞尔·奥尔(Russel Ohl)的研究人员在做实验时有了惊人的发现，他是一名冶金专家

• 3.7.1. 手电筒照亮硅棒的一瞬间，电压计的指针突然发生了偏转

• 3.7.2. 在奥尔的硅棒里并没有金属，只有半导体

• 3.7.2.1. 硅棒内部，就像是大地的一侧凸起成了高山，而另一侧凹陷成了谷底，从而形成了斜坡，使得地表的水也能顺着斜坡流动

• 3.7.3. 人们首次在半导体的内部，而不是界面上发现了单向整流现象

3.8. 由于硅加热融化，两种杂质因为密度不同而自然地分开了，重的下沉，轻的上浮，各自占据了硅棒的两端

• 3.8.1. 带正电荷的这一端叫作P(Positive)型硅

• 3.8.2. 带负电荷的另一端叫作N(Negative)型硅

• 3.8.3. 硅棒恰好位于P型硅和N型硅的分界线上，由此形成了所谓的PN结(PN junction)，产生了一个天然的从正电荷到负电荷的能量斜坡，迫使电流单向流动

3.9. 只要在锗中掺杂适量的锡，就能经受100伏特以上电压，从而做出耐高压的锗整流器

3.10. 点接触晶体管

• 3.10.1. 约翰·巴丁(John Barteen)

• 3.10.2. 场效放大

• 3.10.3. 钨丝和硅片上只有两个电极，而为了放大信号，还需要一个额外的电极来调控从钨丝到硅片的单向电流

• 3.10.4. 真正的器件是不能有水滴的

• 3.10.5. 人类发明了第一个晶体管​，它将一个声音信号成功地放大，证实了这种新发明的固态元件具有非同寻常的放大作用

• 3.10.6. 点接触晶体管由于成本和稳定性等原因并没有投入大规模生产

3.11. 结型晶体管

• 3.11.1. 结型晶体管背后的原理依然是通过调控单向电流来实现放大，跟水库闸门调节水流是一个道理

• 3.11.2. 肖克利将自己提出的结型晶体管想法梳理总结，并于当年6月正式申请专利，上面只署了他一个人的名字

• 3.11.3. 结型晶体管的各项指标均超过了点接触晶体管

• 3.11.4. 未来属于肖克利发明的结型晶体管

3.12. 对于信息时代而言，晶体管的出现就像地球上出现了第一个细胞

3.13. 1948年下半年，凯利将固体物理研究小组改组为半导体研究小组，并任命了一位行事果断、富有制造经验的工程师杰克·莫顿(Jack Morton)为组长

3.14. 发明晶体管后，研究小组的工作重点从基础研究转向了应用研究，而巴丁仍钟爱基础理论探索，不愿去做具体开发

3.15. 富勒发明了半导体扩散法

3.16. 1954年，肖克利建议同事查尔斯·李(Charles Lee)等人用富勒的半导体扩散法来制作结型晶体管

• 3.16.1. 第一个扩散锗晶体管诞生

3.17. 有了大规模制造锗晶体管的技术，贝尔实验室下一步的目标就是制造硅晶体管

• 3.17.1. 硅在地壳中的储量丰富，成本低廉

• 3.17.2. 硅晶体管的漏电流远小于锗晶体管，功耗很低

3.18. 莫里斯·塔嫩鲍姆(Morris Tanenbaum)就用生长法制作出了硅晶体管

3.19. 焊接在硅晶圆表面的铝线在N型硅和铝合金之间形成了一个PN结，从而避免了短路

• 3.19.1. 测量了这个扩散硅晶体管，工作频率超过了100 MHz，是锗晶体管的10倍

3.20. 贝尔实验室的亨利·特里尤尔(Henry Theuerer)在普凡的分区提纯技术基础上做了改进，发明了硅晶体的浮法分区提纯，它能像锗晶那样大幅度地提高硅晶体的纯度

• 3.20.1. 扩散法制作硅晶体管加上浮法分区提纯硅，为大规模地制造硅晶体管迈出了关键的一步

3.21. 一种在地壳上储量极其丰富的元素硅，与一种能够大规模地生产晶体管的扩散技术完美地结合了起来

• 3.21.1. 意味着业界将能以非常经济的手段、极高的效率和极大的规模来制造晶体管

3.22. 硅晶体管能够应用于100℃以上的高温环境和100 MHz以上的高频领域

• 3.22.1. 有机会被应用在高温的沙漠、热带雨林，或者调频收音机、甚高频（简称VHF）电视机、导弹制导、移动通信、高速计算机等领域

4. 德州仪器公司

4.1. 德州仪器公司的前身叫地球物理服务有限公司，主要生产用于石油勘探的仪器

4.2. 到了1951年申请晶体管的生产许可时，公司改名为德州仪器公司

4.3. 蒂尔的加盟正逢其时，他是晶体生长领域数一数二的领军人物，德州仪器公司围绕着蒂尔建立了半导体研发部门

• 4.3.1. 用晶体管做出便携收音机，小到能放进衬衣口袋里

4.4. 蒂尔是一名拉晶专家，进入德州仪器公司后就一直致力于研究用拉晶法制造硅晶体管