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一百多年来，模拟狗一直摇着数字尾巴。 扩展我们的感官（视觉、听觉，甚至某种意义上的触觉）能力的尝试促使工程师和科学家寻找更好的电报、电话、收音机和雷达组件。 这次研究发现了创造新型数字机器的方法，纯属运气好。 我决定讲述这个常数的故事 在此期间，电信工程师为第一台数字计算机提供原材料，有时甚至自己设计和制造这些计算机。
但到了 1960 世纪 XNUMX 年代，这种卓有成效的合作结束了，我的故事也随之结束了。 数字设备制造商不再需要在电报、电话和无线电领域寻找新的、改进的开关，因为晶体管本身提供了取之不尽的改进源泉。 年复一年，他们越挖越深，总是找到成倍提高速度和降低成本的方法。
然而，如果晶体管的发明停止在 .
慢启动
大众媒体对贝尔实验室宣布晶体管的发明并没有什么热情。 1 年 1948 月 XNUMX 日，《纽约时报》在广播新闻报道的最后用了三段文字来描述这一事件。 此外，这条新闻出现在其他新闻之后，显然被认为更重要：例如，本应在 NBC 上播出的长达一小时的广播节目“华尔兹时间”。 事后看来，我们可能会想笑，甚至想骂那些无名的作者——他们怎么会不认识到这一天翻地覆的事件呢？
但事后诸葛亮会扭曲认知，放大信号，而我们知道这些信号的重要性在当时的噪音海洋中消失了。 1948 年的晶体管与您正在阅读本文的计算机上的晶体管非常不同（除非您决定将其打印出来）。 它们的差异如此之大，以至于尽管名称相同，并且连接它们的遗传线也没有中断，但它们即使不是不同的属，也应该被视为不同的物种。 它们的组成不同，结构不同，工作原理不同，更不用说尺寸上的巨大差异。 只有通过不断的改造，巴丁和布拉顿建造的笨拙装置才能改变世界和我们的生活。
事实上，单点锗晶体管并不值得更多的关注。 它有几个继承自真空管的缺陷。 当然，它比最紧凑的灯小得多。 没有热丝意味着它产生的热量更少，消耗的能量更少，不会烧坏，并且在使用前不需要预热。
然而，接触表面积聚的污垢会导致故障，并抵消了延长使用寿命的潜力； 它发出了更嘈杂的信号； 仅在低功率和窄频率范围内工作； 在热、冷或潮湿的情况下失效； 并且无法统一生产。 由同一个人以相同方式制造的多个晶体管将具有截然不同的电气特性。 所有这一切的成本是标准灯的八倍。
直到 1952 年，贝尔实验室（和其他专利持有者）才解决了足以使单点晶体管成为实用设备的制造问题，即便如此，它们也没有扩展到价格敏感度相对较低的助听器市场之外。 .并且在电池寿命方面的优点超过了缺点。
然而，最初的尝试已经开始将晶体管变成更好、更有用的东西。 实际上，它们的开始早于公众得知其存在的那一刻。
肖克利的野心
1947 年底，比尔·肖克利 (Bill Shockley) 怀着兴奋的心情前往芝加哥旅行。 他对如何击败巴丁和布拉顿最近发明的晶体管有模糊的想法，但还没有机会开发它们。 因此，他没有在工作之间享受休息，而是在酒店度过了圣诞节和新年，在笔记本上写满了大约 20 页的想法。 其中一项提案是关于一种由半导体三明治结构组成的新型晶体管——两片n型锗之间的一片p型锗。
受到这张王牌的鼓励，肖克利声称巴丁和布拉顿回到默里山，声称发明晶体管的所有功劳。 难道不是他的场效应思想让巴丁和布拉顿进入了实验室吗？ 难道这不就需要将专利的所有权利转让给他吗？ 然而，肖克利的伎俩适得其反：贝尔实验室的专利律师发现，这位不知名的发明人， ，大约 20 年前，即 1930 年，Lilienfeld 获得了半导体场效应放大器的专利。当然，考虑到当时的材料状况，Lilienfeld 从未实施过他的想法，但重叠的风险太大了 - 最好完全避免提及专利中的场效应。
因此，尽管贝尔实验室给了肖克利慷慨的发明人功劳，但他们在专利中只提到了巴丁和布拉顿。 然而，已经发生的事情无法挽回：肖克利的野心破坏了他与两名下属的关系。 巴丁停止了晶体管的研究，转而专注于超导研究。 1951 年，他离开了实验室。布拉顿留在那里，但拒绝再次与肖克利合作，并坚持要调到另一个小组。
由于无法与其他人合作，肖克利在实验室里始终没有取得任何进展，所以他也离开了那里。 1956 年，他回到家乡帕洛阿尔托创办了自己的晶体管公司 Shockley Semiconductor。 离开之前，他在妻子吉恩（Jean）从子宫癌康复期间与她分居，并与艾米·兰宁（Emmy Lanning）交往，并很快与她结婚。 但他的加州梦想的两部分——一家新公司和一位新妻子——只有一个实现了。 1957 年，他最优秀的工程师对他的管理风格和公司发展方向感到愤怒，离开了他，成立了一家新公司——仙童半导体公司。
1956 年的肖克利
于是，肖克利放弃了公司的空壳，在斯坦福大学的电气工程系找到了一份工作。 在那里，他继续疏远他的同事（以及他最老的朋友，物理学家） ）他感兴趣的种族退化理论和 ——自上次战争结束以来，这些话题在美国一直不受欢迎，尤其是在学术界。 他以煽动争议、煽动媒体和引发抗议为乐。 他于 1989 年去世，与孩子和同事疏远，只有他永远忠诚的第二任妻子艾美 (Emmy) 来看望他。
尽管他微弱的创业尝试失败了，但肖克利已经在肥沃的土壤中播下了一颗种子。 旧金山湾区诞生了许多小型电子公司，这些公司在战争期间获得了联邦政府的资金支持。 肖克利偶然产生的后代仙童半导体公司催生了数十家新公司，其中有几家至今仍为人所知：英特尔和超微半导体公司 (AMD)。 到 1970 世纪 XNUMX 年代初，该地区赢得了“硅谷”的绰号。 但是等一下 - 巴丁和布拉顿创造了锗晶体管。 硅从哪里来？
这就是 2009 年肖克利半导体公司所在地废弃的山景城工地的样子。 今天，该建筑已被拆除。
迈向硅十字路口
肖克利在芝加哥一家旅馆发明的一种新型晶体管的命运比它的发明者要幸福得多。 这一切都要归功于一个人对生长单一、纯半导体晶体的渴望。 来自德克萨斯州的物理化学家戈登·蒂尔（Gordon Teal）在 30 世纪 XNUMX 年代在贝尔实验室找到了一份工作，他的博士学位研究的是当时无用的锗。 在了解了晶体管之后，他确信通过使用纯单晶而不是使用当时使用的多晶混合物来制造晶体管，可以显着提高晶体管的可靠性和功率。 肖克利拒绝了他的努力，认为这是浪费资源。
然而，蒂尔坚持不懈并取得了成功，在机械工程师约翰·利特尔的帮助下，创造了一种从熔融的锗中提取微小晶种的装置。 当锗在原子核周围冷却时，它会扩展其晶体结构，形成连续且几乎纯的半导体晶格。 到 1949 年春天，Teal 和 Little 可以按订单生产晶体，测试表明他们远远落后于多晶竞争对手。 特别是，添加到其中的次要转运蛋白可以在内部存活一百微秒甚至更长（而在其他晶体样品中不超过十微秒）。
现在，蒂尔可以负担更多的资源，并招募了更多的人加入他的团队，其中就有另一位从德克萨斯州来到贝尔实验室的物理化学家——摩根·斯帕克斯。 他们开始改变熔体，通过添加适当的杂质珠来制造 p 型或 n 型锗。 一年之内，他们将技术改进到可以直接在熔体中生长锗 npn 三明治的程度。 它的工作原理与肖克利的预测完全一致：来自 p 型材料的电信号调制了连接到其周围 n 型部件的两个导体之间的电流。
摩根·斯帕克斯和戈登·蒂尔在贝尔实验室的工作台上
这种生长的结型晶体管几乎在所有方面都优于其单点接触祖先。 特别是，它更加可靠和可预测，产生的噪音少得多（因此更加敏感），并且非常节能 - 消耗的能量比典型的真空管少一百万倍。 1951年XNUMX月，贝尔实验室再次召开新闻发布会宣布这项新发明。 甚至在第一个晶体管成功进入市场之前，它就已经变得基本上无关紧要了。
但这仅仅是开始。 1952年，通用电气（GE）宣布开发出一种制造结型晶体管的新工艺，即融合法。 在其框架中，两个铟球（p 型供体）融合在 n 型锗薄片的两侧。 这个过程比在合金中生长结更简单、更便宜；这样的晶体管电阻更小，支持更高的频率。
生长和熔合的晶体管
第二年，戈登·蒂尔决定返回家乡，并在达拉斯的德州仪器 (TI) 找到了一份工作。 该公司成立时名为 Geophysical Services, Inc.，最初生产石油勘探设备，TI 在战争期间开设了电子部门，现在在 Western Electric（贝尔实验室的制造部门）的许可下进入晶体管市场。
蒂尔带来了他在实验室学到的新技能：成长和成长的能力 硅单晶。 锗最明显的弱点是它对温度的敏感性。 当受热时，晶体中的锗原子迅速释放出自由电子，并且逐渐变成导体。 在 77°C 的温度下，它像晶体管一样完全停止工作。 晶体管销售的主要目标是军队——对价格敏感度较低的潜在消费者，对稳定、可靠和紧凑的电子元件有巨大的需求。 然而，对温度敏感的锗在许多军事应用中没有用处，特别是在航空航天领域。
硅的稳定性要高得多，但其代价是熔点要高得多，与钢的熔点相当。 鉴于制造高质量晶体管需要非常纯的晶体，这造成了巨大的困难。 热熔融硅会吸收其所在坩埚中的污染物。 Teel 和他在 TI 的团队使用杜邦公司的超纯硅样品克服了这些挑战。 1954 年 XNUMX 月，在俄亥俄州代顿举行的无线电工程研究所会议上，蒂尔证明，他的实验室生产的新型硅器件即使浸入热油中也能继续工作。
成功的新贵
最后，在晶体管首次发明大约七年后，它可以用它已成为同义词的材料制成。 大约需要同样的时间，晶体管才会出现，其形状与我们的微处理器和存储芯片中使用的形状大致相似。
1955年，贝尔实验室的科学家成功学会了用新的掺杂技术制造硅晶体管——他们不是在液体熔体中添加固体杂质球，而是在半导体的固体表面引入气态添加剂（）。 通过仔细控制过程的温度、压力和持续时间，他们准确地实现了所需的掺杂深度和程度。 对制造过程的更好控制可以更好地控制最终产品的电气性能。 更重要的是，热扩散使得批量生产产品成为可能——你可以对一大块硅进行掺杂，然后将其切割成晶体管。 军方为贝尔实验室提供资金，因为建立生产需要高昂的前期成本。 他们需要一种用于超高频预警雷达链路的新产品（“”），一系列北极雷达站，旨在探测从北极起飞的苏联轰炸机，他们愿意为每个晶体管支付 100 美元（当时可以花 2000 美元购买一辆新车）。
合金化 控制杂质位置的技术开启了将整个电路完全蚀刻在一个半导体基板上的可能性——仙童半导体公司和德州仪器公司在 1959 年同时想到了这一点。”仙童半导体公司使用化学沉积金属薄膜来连接晶体管的电触点。 它消除了手动接线的需要，降低了生产成本并提高了可靠性。
最终，在 1960 年，贝尔实验室的两名工程师（John Atalla 和 Davon Kahn）实现了肖克利最初的场效应晶体管概念。 半导体表面的一层薄薄的氧化物能够有效抑制表面态，使铝栅极的电场渗透到硅中。 因此诞生了 MOSFET [金属氧化物半导体场效应晶体管]（或 MOS 结构，来自金属氧化物半导体），事实证明它非常容易小型化，并且仍然在几乎所有现代计算机中使用（有趣的是，Atalla 来自埃及，Kang 来自韩国，实际上我们整个历史上只有这两位工程师没有欧洲血统）。
最后，在第一个晶体管发明十三年后，出现了类似于计算机中晶体管的东西。 它比结型晶体管更容易制造并且使用更少的功率，但对信号的响应速度相当慢。 只是随着大规模集成电路（单个芯片上有数百或数千个元件）的普及，场效应晶体管的优势才凸显出来。
场效应晶体管专利图解
场效应是贝尔实验室对晶体管发展的最后一个重大贡献。 贝尔实验室（及其西电）、通用电气、Sylvania 和西屋电气等主要电子制造商已经积累了大量的半导体研究成果。 从 1952 年到 1965 年，仅贝尔实验室就在这一主题上注册了 XNUMX 多项专利。 然而，商业市场很快落入德州仪器 (TI)、全速 (Transitron) 和仙童 (Fairchild) 等新玩家手中。
早期的晶体管市场太小，无法吸引主要参与者的注意：18世纪1950年代中期，每年约为2万美元，而电子市场总额为1960亿美元。然而，这些巨头的研究实验室无意中成为了训练营年轻的科学家可以在这里吸收半导体知识，然后再将他们的服务出售给小公司。 当电子管市场在 XNUMX 世纪 XNUMX 年代中期开始严重萎缩时，贝尔实验室、西屋电气等公司想要与新贵竞争已经为时已晚。
计算机到晶体管的转变
1950 世纪 XNUMX 年代，晶体管侵入电子世界的四个主要领域。 前两个是助听器和便携式收音机，其中低功耗和由此产生的长电池寿命超越了其他考虑因素。 三是军事用途。 美国陆军对晶体管寄予厚望，希望它能成为可靠、紧凑的元件，可用于从野战无线电到弹道导弹的各种领域。 然而，在早期，他们在晶体管上的支出似乎更像是对技术未来的赌注，而不是对其当时价值的确认。 最后，还有数字计算。
在计算机领域，真空管开关的缺点是众所周知的，战前一些怀疑论者甚至认为电子计算机无法成为实用设备。 当数千盏灯集中在一台设备中时，它们会消耗电力，产生大量热量，就可靠性而言，只能依靠它们的定期烧毁。 因此，低功耗、超酷、无线程的晶体管成为了计算机制造商的救世主。 当用作开关时，它作为放大器的缺点（例如，输出噪声较大）并不是一个问题。 唯一的障碍是成本，并且在适当的时候它会开始急剧下降。
美国所有早期的晶体管计算机实验都发生在军方渴望探索有前途的新技术潜力和工程师渴望改进交换机的交叉点上。
贝尔实验室于 1954 年为美国空军打造了 TRADIC，以验证晶体管是否能够将数字计算机安装在轰炸机上，取代模拟导航并协助寻找目标。 麻省理工学院林肯实验室于 0 年开发了 TX-1956 计算机，作为大规模防空项目的一部分。该计算机使用了表面势垒晶体管的另一种变体，非常适合高速计算。 Philco 根据与海军的合同建造了 SOLO 计算机（但实际上是应 NSA 的要求），并于 1958 年完成（使用表面势垒晶体管的另一种变体）。
在冷战期间资源匮乏的西欧，情况则截然不同。 像曼彻斯特晶体管计算机这样的机器， （另一个名称受 ENIAC 项目启发，倒着拼写），以及奥地利 这些副项目使用了其创建者可以聚集的资源，包括第一代单点晶体管。
关于第一台使用晶体管的计算机的名称存在很多争议。 当然，这一切都取决于为“第一”、“晶体管”和“计算机”等词选择正确的定义。 无论如何，我们知道故事的结局。 晶体管计算机的商业化几乎立即开始。 年复一年，同样价格的计算机变得越来越强大，同样能力的计算机变得越来越便宜，这个过程似乎是不可阻挡的，以至于它被提升到仅次于重力和能量守恒的法律地位。 我们需要争论哪块鹅卵石最先塌陷吗？
摩尔定律从何而来？
当我们接近 Switch 故事的结尾时，值得一问：是什么导致了这次崩溃的发生？ 为什么摩尔定律存在（或存在——我们下次再讨论这个问题）？ 飞机或真空吸尘器不存在摩尔定律，就像真空管或继电器不存在摩尔定律一样。
答案有两部分：
- 作为工件类别的开关的逻辑属性。
- 使用纯化学工艺制造晶体管的能力。
首先，关于switch的本质。 大多数人工制品的特性必须满足各种严格的物理限制。 一架客机必须支撑许多人的总重量。 真空吸尘器必须能够在一定时间内从一定的物理区域吸走一定量的污垢。 如果缩小到纳米尺度，飞机和吸尘器将毫无用处。
开关，一种从未被人手触摸过的自动开关，其物理限制要少得多。 它必须具有两种不同的状态，并且当其他类似交换机的状态发生变化时，它必须能够与它们进行通信。 也就是说，它所能做的就是打开和关闭。 晶体管有何特别之处？ 为什么其他类型的数字交换机没有经历如此指数级的改进？
这里我们来看第二个事实。 晶体管可以使用化学工艺制造，无需机械干预。 从一开始，晶体管生产的一个关键要素就是化学杂质的使用。 然后是平面工艺，它消除了生产中的最后一个机械步骤——连接电线。 由此，他摆脱了小型化的最后一个物理限制。 晶体管不再需要足够大以容纳人类手指或任何机械设备。 这一切都是通过简单的化学反应完成的，规模小得难以想象：用酸进行蚀刻，用光控制表面的哪些部分可以抵抗蚀刻，用蒸汽将杂质和金属薄膜引入蚀刻的轨道中。
为什么微型化是必要的？ 减小尺寸带来了一系列令人愉快的副作用：提高切换速度、降低能耗和单个副本的成本。 这些强大的激励措施促使每个人都在寻找进一步减少转换的方法。 半导体行业已经从制造指甲盖大小的开关发展到一个人一生中每平方毫米封装数千万个开关。 从一个交换机要八美元到一美元就能提供两千万个交换机。
1103 年的 Intel 1971 内存芯片。 单个晶体管的尺寸只有几十微米，肉眼不再可见。 从那时起，它们又减少了一千倍。
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来源： habr.com