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一百多年來，模擬狗一直搖著數位尾巴。 擴展我們的感官（視覺、聽覺，甚至某種意義上的觸覺）能力的嘗試促使工程師和科學家尋找更好的電報、電話、收音機和雷達組件。 這次研究發現了創造新型數位機器的方法，純屬運氣好。 我決定要講述這個常數的故事 在此期間，電信工程師為第一台數位計算機提供原材料，有時甚至自己設計和製造這些計算機。
但到了 1960 世紀 XNUMX 年代，這種卓有成效的合作結束了，我的故事也跟著結束了。 數位設備製造商不再需要在電報、電話和無線電領域尋找新的、改進的開關，因為電晶體本身提供了取之不盡的改進來源。 年復一年，他們越挖越深，總是找到倍增速度和降低成本的方法。
然而，如果晶體管的發明停止在 .
慢啟動
大眾媒體對貝爾實驗室宣布晶體管的發明並沒有什麼熱情。 1 年 1948 月 XNUMX 日，《紐約時報》在廣播新聞報導的最後用了三段文字來描述這件事。 此外，這條新聞出現在其他新聞之後，顯然被認為更重要：例如，本應在 NBC 上播出的長達一小時的廣播節目“華爾茲時間”。 事後看來，我們可能會想笑，甚至想罵那些無名的作者──他們怎麼會不認清這一天翻地覆的事件呢？
但事後諸葛亮會扭曲認知，放大訊號，而我們知道這些訊號的重要性在當時的噪音海洋中消失了。 1948 年的電晶體與您正在閱讀本文的電腦上的電晶體非常不同（除非您決定將其列印出來）。 它們的差異如此之大，以至於儘管名稱相同，並且連接它們的遺傳線也沒有中斷，但它們即使不是不同的屬，也應該被視為不同的物種。 它們的組成不同，結構不同，工作原理不同，更不用說尺寸上的巨大差異。 只有透過不斷的改造，巴丁和布拉頓建造的笨拙裝置才能改變世界和我們的生活。
事實上，單點鍺晶體管並不值得更多的關注。 它有幾個繼承自真空管的缺陷。 當然，它比最緊湊的燈小得多。 沒有熱絲意味著它產生的熱量更少，消耗的能量更少，不會燒壞，並且在使用前不需要預熱。
然而，接觸表面積聚的污垢會導致故障，並抵消了延長使用壽命的潛力； 它發出了更吵雜的信號； 僅在低功率和窄頻率範圍內工作； 在熱、冷或潮濕的情況下失效； 並且無法統一生產。 由同一個人以相同方式製造的多個晶體管將具有截然不同的電氣特性。 所有這一切的成本是標準燈的八倍。
直到 1952 年，貝爾實驗室（和其他專利持有者）才解決了足以使單點電晶體成為實用設備的製造問題，即便如此，它們也沒有擴展到價格敏感度相對較低的助聽器市場之外。 .並且在電池壽命方面的優點超過了缺點。
然而，最初的嘗試已經開始將電晶體變成更好、更有用的東西。 實際上，它們的開始早於公眾得知其存在的那一刻。
蕭克利的野心
1947 年底，比爾‧蕭克利 (Bill Shockley) 懷著興奮的心情前往芝加哥旅行。 他對如何擊敗巴丁和布拉頓最近發明的晶體管有模糊的想法，但還沒有機會開發它們。 因此，他沒有在工作階段之間享受休息，而是在酒店度過了聖誕節和新年，在筆記本上寫下了大約 20 頁的想法。 其中一項提案是關於一種由半導體三明治結構組成的新型電晶體－兩片n型鍺之間的一片p型鍺。
受到這張王牌的鼓勵，蕭克利聲稱巴丁和布拉頓回到默里山，聲稱發明晶體管的所有功勞。 難道不是他的場效應思想讓巴丁和布拉頓進入了實驗室嗎？ 這不就需要將專利的所有權利轉讓給他嗎？ 然而，蕭克利的伎倆適得其反：貝爾實驗室的專利律師發現，這位不知名的發明人， ，大約20 年前，即1930 年，Lilienfeld 獲得了半導體場效應放大器的專利。當然，考慮到當時的材料狀況，Lilienfeld 從未實施過他的想法，但重疊的風險太大了- 最好完全避免提及專利中的場效應。
因此，儘管貝爾實驗室給了蕭克利慷慨的發明者功勞，但他們在專利中只提到了巴丁和布拉頓。 然而，已經發生的事情無法挽回：蕭克利的野心破壞了他與兩名下屬的關係。 巴丁停止了晶體管的研究，轉而專注於超導研究。 1951 年，他離開了實驗室。布拉頓留在那裡，但拒絕再次與蕭克利合作，並堅持要調到另一個小組。
由於無法與其他人合作，蕭克利在實驗室裡始終沒有任何進展，所以他也離開了那裡。 1956 年，他回到家鄉帕洛阿爾托創立了自己的電晶體公司 Shockley Semiconductor。 在離開之前，他在妻子吉恩（Jean）從子宮癌康復期間與她分居，並與艾米·蘭寧（Emmy Lanning）交往，並很快與她結婚。 但他的加州夢想的兩部分——一家新公司和一位新妻子——只有一個實現了。 1957 年，他最優秀的工程師對他的管理風格和公司發展方向感到憤怒，離開了他，成立了一家新公司——仙童半導體公司。
1956 年的蕭克利
於是，蕭克利放棄了公司的空殼，在史丹佛大學的電機工程系找到了工作。 在那裡，他繼續疏遠他的同事（以及他最老的朋友，物理學家） ）他感興趣的種族退化理論和 ——自上次戰爭結束以來，這些話題在美國一直不受歡迎，尤其是在學術界。 他以煽動爭議、煽動媒體和引發抗議為樂。 他於 1989 年去世，與孩子和同事疏遠，只有他永遠忠誠的第二任妻子艾美 (Emmy) 來看望他。
儘管他微弱的創業嘗試失敗了，但蕭克利已經在肥沃的土壤中播下了一顆種子。 舊金山灣區誕生了許多小型電子公司，這些公司在戰爭期間獲得了聯邦政府的資金支持。 蕭克利偶然產生的後代仙童半導體公司催生了數十家新公司，其中有幾家至今仍為人所知：英特爾和超微半導體公司 (AMD)。 到 1970 世紀 XNUMX 年代初，該地區贏得了“矽谷”的綽號。 但是等一下 - 巴丁和布拉頓創造了鍺晶體管。 矽從哪裡來？
這就是 2009 年蕭克利半導體公司所在地廢棄的山景城工地的樣子。 今天，該建築已被拆除。
邁向矽十字路口
蕭克利在芝加哥一家旅館發明的一種新型晶體管的命運比它的發明者幸福得多。 這一切都要歸功於一個人對生長單一、純半導體晶體的渴望。 來自德克薩斯州的物理化學家戈登·蒂爾（Gordon Teal）在 30 世紀 XNUMX 年代在貝爾實驗室找到了一份工作，他的博士學位研究的是當時無用的鍺。 在了解了晶體管之後，他確信透過使用純單晶而不是使用當時使用的多晶混合物來製造晶體管，可以顯著提高晶體管的可靠性和功率。 蕭克利拒絕了他的努力，認為這是浪費資源。
然而，蒂爾堅持不懈並取得了成功，在機械工程師約翰·利特爾的幫助下，創造了一種從熔融的鍺中提取微小晶種的裝置。 當鍺在原子核周圍冷卻時，它會擴展其晶體結構，形成連續且幾乎純的半導體晶格。 到 1949 年春天，Teal 和 Little 可以按訂單生產晶體，測試表明他們遠遠落後於多晶競爭對手。 特別是，添加到其中的次要轉運蛋白可以在內部存活一百微秒甚至更長（而在其他晶體樣品中不超過十微秒）。
現在，蒂爾可以負擔更多的資源，並招募了更多的人加入他的團隊，其中就有另一位從德克薩斯州來到貝爾實驗室的物理化學家——摩根·斯帕克斯。 他們開始改變熔體，透過添加適當的雜質珠來製造 p 型或 n 型鍺。 一年之內，他們將技術改進到可以直接在熔體中生長鍺 npn 三明治的程度。 它的工作原理與蕭克利的預測完全一致：來自 p 型材料的電訊號調製了連接到其周圍 n 型部件的兩個導體之間的電流。
摩根·斯帕克斯和戈登·蒂爾在貝爾實驗室的工作台上
這種生長的結型電晶體幾乎在所有方面都優於其單點接觸祖先。 特別是，它更加可靠和可預測，產生的噪音少得多（因此更加敏感），並且非常節能 - 消耗的能量比典型的真空管少一百萬倍。 1951年XNUMX月，貝爾實驗室再次召開記者會宣布這項新發明。 甚至在第一個晶體管成功進入市場之前，它就已經變得基本上無關緊要了。
但這只是開始。 1952年，通用電氣（GE）宣佈開發出一種製造結型電晶體的新工藝，即融合法。 在其框架中，兩個銦球（p 型供體）融合在 n 型鍺薄片的兩側。 這個過程比在合金中生長結更簡單、更便宜；這樣的電晶體電阻更小，支援更高的頻率。
生長和熔合的晶體管
第二年，戈登·蒂爾決定返回家鄉，並在達拉斯的德州儀器 (TI) 找到了一份工作。 該公司成立時名為 Geophysical Services, Inc.，最初生產石油勘探設備，TI 在戰爭期間開設了電子部門，現在在 Western Electric（貝爾實驗室的製造部門）的許可下進入晶體管市場。
蒂爾帶來了他在實驗室學到的新技能：成長與成長的能力 矽單晶。 鍺最明顯的弱點是它對溫度的敏感度。 當受熱時，晶體中的鍺原子迅速釋放出自由電子，並且逐漸變成導體。 在 77°C 的溫度下，它像電晶體一樣完全停止工作。 電晶體銷售的主要目標是軍隊——對價格敏感度較低的潛在消費者，對穩定、可靠和緊湊的電子元件有巨大的需求。 然而，對溫度敏感的鍺在許多軍事應用中沒有用處，特別是在航空航太領域。
矽的穩定性高得多，但其代價是熔點高得多，與鋼的熔點相當。 鑑於製造高品質晶體管需要非常純的晶體，這造成了巨大的困難。 熱熔融矽會吸收其所在坩堝中的污染物。 Teel 和他在 TI 的團隊使用杜邦公司的超純矽樣本克服了這些挑戰。 1954 年 XNUMX 月，在俄亥俄州代頓舉行的無線電工程研究所會議上，蒂爾證明，他的實驗室生產的新型矽元件即使浸入熱油中也能繼續工作。
成功的新貴
最後，在晶體管首次發明大約七年後，它可以用它已成為同義詞的材料製成。 大約需要相同的時間，晶體管才會出現，其形狀與我們的微處理器和儲存晶片中使用的形狀大致相似。
1955年，貝爾實驗室的科學家成功學會了用新的摻雜技術製造矽晶體管——他們不是在液體熔體中添加固體雜質球，而是在半導體的固體表面引入氣態添加劑（）。 透過仔細控制製程的溫度、壓力和持續時間，他們準確地實現了所需的摻雜深度和程度。 對製造過程的更好控制可以更好地控制最終產品的電氣性能。 更重要的是，熱擴散使得大量生產產品成為可能——你可以對一大塊矽進行摻雜，然後將其切割成電晶體。 軍方為貝爾實驗室提供資金，因為建立生產需要高昂的前期成本。 他們需要一種用於超高頻預警雷達鏈路的新產品（“」），一系列北極雷達站，旨在探測從北極起飛的蘇聯轟炸機，他們願意為每個晶體管支付 100 美元（當時可以花 2000 美元購買一輛新車）。
合金化 控制雜質位置的技術開啟了將整個電路完全蝕刻在一個半導體基板上的可能性——仙童半導體公司和德州儀器公司在 1959 年同時想到了這一點。”仙童半導體公司使用化學沉積金屬薄膜來連接電晶體的電觸點。 它消除了手動接線的需要，降低了生產成本並提高了可靠性。
最終，在 1960 年，貝爾實驗室的兩位工程師（John Atalla 和 Davon Kahn）實現了蕭克利最初的場效電晶體概念。 半導體表面的一層薄薄的氧化物能夠有效抑製表面態，使鋁閘極的電場滲透到矽中。 因此誕生了 MOSFET [金屬氧化物半導體場效電晶體]（或 MOS 結構，來自金屬氧化物半導體），事實證明它非常容易小型化，並且仍然在幾乎所有現代計算機中使用（有趣的是，Atalla 來自埃及，Kang 來自韓國，實際上我們整個歷史上只有這兩位工程師沒有歐洲血統）。
最後，在第一個電晶體發明十三年後，出現了類似電腦中電晶體的東西。 它比結型電晶體更容易製造並且使用更少的功率，但對訊號的響應速度相當慢。 只是隨著大規模積體電路（單一晶片上有數百或數千個元件）的普及，場效電晶體的優勢才凸顯出來。
場效電晶體專利圖解
場效應是貝爾實驗室對電晶體發展的最後一個重大貢獻。 貝爾實驗室（及其西電）、通用電氣、Sylvania 和西屋電氣等主要電子製造商已經累積了大量的半導體研究成果。 從 1952 年到 1965 年，光是貝爾實驗室就在這一主題上註冊了 XNUMX 多項專利。 然而，商業市場很快就落入德州儀器 (TI)、全速 (Transitron) 和仙童 (Fairchild) 等新玩家手中。
早期的電晶體市場太小，無法吸引主要參與者的注意：18世紀1950年代中期，每年約為2萬美元，而電子市場總額為1960億美元。然而，這些巨頭的研究實驗室無意中成為了訓練營年輕的科學家可以在這裡吸收半導體知識，然後再將他們的服務賣給小公司。 當電子管市場在 XNUMX 年代中期開始嚴重萎縮時，貝爾實驗室、西屋電氣等公司想要與新貴競爭已經為時已晚。
電腦到電晶體的轉變
1950 世紀 XNUMX 年代，電晶體侵入電子世界的四個主要領域。 前兩個是助聽器和便攜式收音機，其中低功耗和由此產生的長電池壽命超越了其他考慮因素。 三是軍事用途。 美國陸軍對晶體管寄予厚望，希望它能成為可靠、緊湊的元件，可用於從野戰無線電到彈道導彈的各種領域。 然而，在早期，他們在晶體管上的支出似乎更像是對技術未來的賭注，而不是對其當時價值的確認。 最後，還有數字計算。
在電腦領域，真空管開關的缺點是眾所周知的，戰前一些懷疑論者甚至認為電子電腦無法成為實用設備。 當數千盞燈集中在一台設備中時，它們會消耗電力，產生大量熱量，就可靠性而言，只能依靠它們的定期燒毀。 因此，低功耗、超酷、無執行緒的電晶體成為了電腦製造商的救世主。 當用作開關時，它作為放大器的缺點（例如，輸出噪聲較大）並不是一個問題。 唯一的障礙是成本，在適當的時候它會開始急劇下降。
美國所有早期的電晶體電腦實驗都發生在軍方渴望探索有前途的新技術潛力和工程師渴望改進交換器的交叉點上。
貝爾實驗室於 1954 年為美國空軍打造了 TRADIC，以驗證電晶體是否能夠將數位電腦安裝在轟炸機上，取代類比導航並協助尋找目標。 麻省理工學院林肯實驗室於 0 年開發了 TX-1956 計算機，作為大規模防空專案的一部分。該計算機使用了表面勢壘電晶體的另一種變體，非常適合高速計算。 Philco 根據與海軍的合約建造了 SOLO 電腦（但實際上是應 NSA 的要求），並於 1958 年完成（使用表面勢壘電晶體的另一種變體）。
在冷戰期間資源匱乏的西歐，情況則截然不同。 像曼徹斯特晶體管計算機這樣的機器， （另一個名稱受 ENIAC 計畫啟發，倒著拼字），以及奧地利 這些副項目使用了其創建者可以聚集的資源，包括第一代單點電晶體。
關於第一台使用電晶體的計算機的名稱存在著許多爭議。 當然，這一切都取決於為「第一」、「電晶體」和「電腦」等字詞選擇正確的定義。 無論如何，我們知道故事的結局。 晶體管計算機的商業化幾乎立即開始。 年復一年，同樣價格的計算機變得越來越強大，同樣能力的計算機變得越來越便宜，這個過程似乎是不可阻擋的，以至於它被提升到僅次於重力和能量守恆的法律地位。 我們需要爭論哪塊鵝卵石最先塌陷嗎？
摩爾定律從何而來？
當我們接近 Switch 故事的結尾時，值得一問：是什麼導致了這次崩潰的發生？ 為什麼摩爾定律存在（或存在－我們下次再討論這個問題）？ 飛機或真空吸塵器不存在摩爾定律，就像真空管或繼電器不存在摩爾定律一樣。
答案有兩個部分：
- 作為工件類別的開關的邏輯屬性。
- 使用純化學製程製造晶體管的能力。
首先，關於switch的本質。 大多數人工製品的特性必須滿足各種嚴格的物理限制。 一架客機必須支撐許多人的總重量。 吸塵器必須能夠在一定時間內從一定的物理區域吸走一定量的污垢。 如果縮小到奈米尺度，飛機和吸塵器將毫無用處。
開關，一種從未被人手觸摸過的自動開關，其物理限制要少得多。 它必須具有兩種不同的狀態，並且當其他類似交換器的狀態發生變化時，它必須能夠與它們進行通訊。 也就是說，它所能做的就是打開和關閉。 電晶體有何特別之處？ 為什麼其他類型的數位交換器沒有經歷如此指數級的改進？
這裡我們來看第二個事實。 電晶體可以使用化學製程製造，無需機械幹預。 從一開始，電晶體生產的關鍵要素就是化學雜質的使用。 然後是平面工藝，它消除了生產中的最後一個機械步驟——連接電線。 由此，他擺脫了小型化的最後一個物理限制。 電晶體不再需要足夠大以容納人類手指或任何機械設備。 這一切都是透過簡單的化學反應完成的，規模小得難以想像：用酸進行蝕刻，用光控製表面的哪些部分可以抵抗蝕刻，用蒸汽將雜質和金屬薄膜引入蝕刻的軌道中。
為什麼微型化是必要的？ 減小尺寸帶來了一系列令人愉悅的副作用：提高切換速度、降低能耗和單一副本的成本。 這些強大的激勵措施促使每個人都在尋找進一步減少轉換的方法。 半導體產業已經從製造指甲蓋大小的開關發展到一個人一生中每平方毫米封裝數千萬個開關。 從一個交換器要八美元到一美元就能提供兩千萬個交換器。
1103 年的 Intel 1971 記憶體晶片。 單一電晶體的尺寸只有幾十微米，肉眼不再可見。 從那時起，它們又減少了一千倍。
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來源： www.habr.com