读半导体简史04晶体管

1. 雷达1.1. Watson-Watt1.1.1. 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EV2.13.1. 进行N型掺杂时浓度越高费米能级越接近EC2.13.2. 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ATT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ATT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34V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19041906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