电子管到集成电路①

摘 要：电子技术的迅速发展,是20世纪以来最重大而又影响深远的科技成就之一.电子工业的发展和电子技术的水平,已经成为衡量一个国家现代化程度的重要尺度.通过梳理电子技术的发展历程,找寻一门技术从出现发展到成熟的内在逻辑,并提出自己得见解,正是这篇文章的意义所在.

关 键 词：电子管晶体管半导体集成电路

中图分类号：TN11文献标识码：A文章编号：1672-3791（2013）07（c）-0238-02

1电子管的诞生

1883年美国发明家爱迪生在进行提高电灯灯丝寿命的实验时在灯丝附近安放了一根金属丝,然后他意外地发现通电加热的灯丝和这根金属丝之间竟然出现了微弱的电流.通过进一步的实验,爱迪生发现当金属丝对灯丝的电压为正时有电流通过,而当电压为负时则没有电流.这种现象就是“爱迪生效应”,它成为后来发明电子管的基础.1897年,英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生（J.JThomson,1856—1940）通过对阴极射线的研究,证明了从炽热灯丝会发射出一种带负电的粒子流,这就是电子.由于电子的发现,人们终于明白“爱迪生效应”就是真空中的热电子发射现象.

1889年英国工程师弗莱明（J.A.Fleming,1849—1945）在当时迅速兴起的电子学的基础上,开始对爱迪生效应进行了深入研究,终于在1904年发明了第一种电子元件：一种可用作电磁波检波器的二极电子管.二极管发明之后,美国无线电工程师德·福雷斯特（L.deForest,1873—1961）即对弗莱明的发明进行了深入研究.为了改进二极管的性能,福雷斯特于1906年进行了在二极管的负极加入一个电极的实验.实验结果发现,在正极负极之间加入一个金属丝支撑的栅极时,其检波效果最佳,不久还发现三极管对电流有放大作用.

二极电子管和三极电子管的发明奠定了电子元件的主要技术基础,是具有划时代意义的技术发明.由于电子元件技术的带动,另一电子基础技术——电子线路也得以迅速发展,两者一并为后来的广播、电视、雷达等电子应用技术的兴起提供了技术基础.虽然电子管作为20世纪前半期电子技术的基础,写下了光辉的一页,但它也暴露出一些弱点,主要是体积大、重量重、耗电多、寿命短、需预热等,这同电子设备的发展要求提供体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、起动迅速的元器件,形成了尖锐的矛盾.这就迫使人们去寻求新的性能更优异的电子器件.

2半导体物理学的兴起

半导体物理学是凝聚态物理学的主要分支之一,在第二次世界大战之后得到了迅猛发展.它的兴起与30年代中后期相关技术背景和相关科学基础的形成有直接的内在联系.

在技术背景方面,到30年代中后期的时候,以热机技术和电力技术为主要技术标志的第二次工业革命在德、美、英等国家已基本完成.以电子管为主要技术基础的电子技术经过从20世纪初到30年代中后期的发展,其技术已经基本成熟,其技术局限也日趋明显.

在科学基础方面,布洛赫提出的能带理论为半导体物理学的发展提供了重要的理论基础.所谓能带理论,是研究固体中电子运动规律的一种近似理论.固体由原子组成,原子又包括原子实和最外层电子,它们均处于不断的运动状态.为使问题简化,首先检测定固体中的原子实固定不动,并按一定规律作周期性排列,然后进一步认为每个电子都是在固定的原子实周期势场及其他电子的平均势场中运动,这就把整个问题简化成单电子问题.到1931年英国物理学家威尔逊提出区分绝缘体、半导体和导体的微观理论判据之后,半导体物理学已经开始呈现向半导体技术初步转化的态势.

晶体管的出现

由于半导体物理学的兴起以及电子管本身材料与技术的局限性,美国贝尔实验室研究部电子管分部主任、固体物理学家凯利（M.Kelly）敏锐地察觉到电子技术可能正面临着一场大革命.1939年,凯利组建了以肖克利（W.Shockley）、巴丁（J.Bardeen）、布拉顿（W.H.Brattain）和伍德里奇（D.E.Woodridge）等人为主要成员的半导体学物理小组.这是一个年富力强,既有深厚的固体物理理论素养,又有丰富的实验技术经验的科研集体.他们的目标是：探索半导体的导电机制,研制能消除电子管缺陷并具有放大功能的新型电子器件.

1947年12月,研究小组发属与半导体表面形成的两个充分靠近点接触的结,存在着相互作用.巴丁和布拉顿根据这个效应重新制订了方案,12月23日终于研制出世界上第一支晶体三极管,它是用半导体锗制成的点接触型晶体管.1956年,肖克利、巴丁、布拉顿三人由于晶体管的发明和半导体物理学的杰出贡献,共同获得了诺贝尔物理学奖.

-N结理论

肖克利及其小组成员在研制第一代晶体管的同时,在固体物理学已有的电子理论、量子理论和能带理论的基础上,对半导体物理的导电性进行了深入研究.1949到1950年间,他们提出了以半导体电子理论为基本内容的P-N结理论.P-N结理论主要有三个方面.

其一,半导体有N型半导体和P型半导体两种不同的类型.N型半导体参与导电的主要是带负电（negative）的电子.这些电子来自于半导体中的施主,如含有适量的五价元素砷、磷、锑的锗或硅,即是这种N型半导体.P型半导体参与导电的主要是带正电（positive）的空穴.这些空穴来自半导体中的受主,如含有适量的三价元素硼、铟、镓的锗或硅,即是这种P型半导体.

其二,N型半导体和P型半导体的交界层能形成P-N结.由于P-N结具有单向导电性,因此以P-N结为基础的二极管对电流具有整流作用.

其三,以P-N结为基础,可以形成PNP或NPN两种类型的组合P-N结.由于组合P-N结具有三极,因此以它为基础的三极管与电子三极管一样,对电流具有放大效应.

4晶体管的大规模生产在肖克利及其小组成员提出P-N结理论之后,肖克利根据对晶体管工作机理的分析,又提出了PNP和NPN结型晶体管的理论.1950年贝尔实验室的斯帕克斯（M.Sparks）等人研制出了这种结型晶体管（或称面触型晶体管）.它同点接触型晶体管相比,结构简单、牢固可靠、噪声小、宜于大批量生产.

晶体管的大规模生产除了自身技术硬件指标达标外,原材料的数量和质量的供应以及产品的生产工艺也是决定晶体管能否大量生产的重要因素.1952年,范（W.G.Pfann）发明了生产高纯度锗的区域提纯熔炼工艺；1954年蒂尔（G.KTeal）和比勒（E.Buehler）改进了拉制单晶硅的工艺；同年,富勒（C.S.Fuller）研究出了一种新的掺杂方法——扩散工艺.他们均来自贝尔实验室.1959年,仙童公司的霍尔尼（J.A.Hoerni）发明了平面工艺,并制出了第一个平面型晶体管.这些成果为晶体管的大规模生产和半导体工业的发展创造了条件,尤其是扩散工艺和平面工艺,不但将晶体管的工作频率推到了超短段,而且使晶体管的管芯结构图形达到前所未有的精密和微小程度,从而为晶体管的微小型化开辟了道路.

5集成电路

晶体管可以大规模生产以后,其体积小、重量轻、能耗少、寿命长、可靠性高、不需预热、电源电压低等一系列优点使它全面取代了电子管.但是,晶体管取代电子管,还只是一个器件代替一个器件.对于大型电子设备,有时要用到上百万个晶体管,这就要几百万个结点,这些结点就成了出现故障的渊源；同时,生产部门和军事部门希望电子设备进一步微小型化,这都强烈地推动人们去开辟发展电子技术的新途径.

20世纪50年代,用硅取代锗作晶体管材料,以及制作晶体管的扩散工艺、平面工艺等,都相继研究成功,这就为集成电路的研制提供了技术基础,而掌握这些技术的美国德克萨斯仪器公司、仙童公司也就具备了更有利的条件.1959年初,美国德克萨斯公司的工程师基尔比（J.Kiby）利用扩散工艺,很快就在一块1.6×9.5平方毫米的半导体材料上,制成了包括1个台面晶体管、一个电容和3个电阻的移向振荡器,从而研制成功了第一块集成电路.与此同时,美国仙童公司的经理诺伊斯（R.N.Noyce）运用平面工艺制成了更专业化,更适合于工业生产的集成电路.1961年,集成电路即在美国实现了商品化生产.

同半导体分立电路相比,半导体集成电路具有容量大、体积小、组装快等优点.因此集成电路自问世以后,其发展速度可谓突飞猛进.自1961年以后的短短20余年内,集成电路的集成度便由最初的100个元器件以内发展到10万～100万个元器件之内.

6电子技术发展的内在逻辑

从电子管到集成电路,短短60余年间,电子技术就从电力技术的附属产物蜕变成整个社会的主流技术.爱迪生发现了“爱迪生效应”,但他却不能对这个现象做出完满的解释,于是便吸引着其他的科学家来解决问题,逐渐形成科学共同体.一项新技术其诞生必然源于自然现象,其发展必然会形成科学共同体.汤姆生发现电子,解释了“爱迪生效应”为电子技术的起步打下了理论基础.弗莱明发明了真空二极管、德弗雷斯特发明了真空三极管,他们成功的将理论转化为技术产品,其中的转化必然有现实需求的牵引.当电子管的元件缺陷与电子技术高速发展形成尖锐矛盾时,半导体物理学理论开始蓬勃发展起来,而半导体物理学的蓬勃发展又离不开电子技术这个载体.半导体物理学理论的发展促使晶体管的诞生,而P-N结理论则是研制晶体管的理论衍生物,又反过来促进了半导体物理学的发展.而从晶体管发展到集成电路,则是纯技术工艺上的进步.

纵观整个电子技术从“爱迪生效应”发展到集成电路,其科学技术轨迹可以大致概括为：发现现象→探究现象→形成理论→衍生技术→升华理论→技术飞跃→技术完善→技术成熟.

另一值得注意的现象在电子技术的发展进程中,大部分的研究人员都是默默无名却又充满干劲的年富力强的青壮派科学家.如,参与研发出第一支晶体三极管并发表了P-N结理论的肖克利、巴丁和布拉顿三人在1956年获得诺贝尔奖时也才不到50岁.我认为导致这种现象的主要原因有三点：其一,电子技术的科学吸引力强.电子技术对于当时的学术界来说是非常前沿的,也充满了科学的神秘性,这种特性对那些刚毕业的青年才俊来说既能满足自己的好奇心,又能做比较时髦的研究,那是再好不过了.其二,电子技术相较其它领域容易出成果.电子技术是一门新兴的技术领域,探索的空间较其它传统领域更为宽阔,也更容易出成果,作为默默无名的青年科学家,自然想更快的成就一番事业.其三,电子技术的社会需求量大.由于当时的电力技术已经非常成熟,人们用电已经得到普及,相应电子产品的需求量也是极大,如收音机、电视等家用电子产品.广阔的市场需求使得资本家们将大量的资金注入电子行业以谋求更高的回报.毫无疑问高额的薪水和奖金对于急需金钱的年轻人来说是颇具吸引力的.