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科技真相 科技红利及方向型资产研究 3天前 中国半导体产业的思考—随笔之《芯片战争——亮剑！国运之战》 芯片战争7—坚韧不拔的PN结晶体管 （混沌之际，1932-1949年） 结型晶体管才是现代晶体管的始祖，它才是真正意义上开启了全球半导体技术的发展方向，从点接触晶体管到PN结晶体管，这是全球半导体硅含量提升周期之历史长河中迈出的关键一步，对全球半导体工业发展进程起到了巨大的推动作用。 正文： 第一章 混沌之际 第五节：坚韧不拔的PN结晶体管 全球第一个半导体晶体管的发现，这一巨大的荣誉却没有获得署名权，这让肖克利极其郁闷了。 肖克利心里憋了一肚子的火气：“不承认，我就自己搞。”于是，就在第二年，不服气、不服输、性格坚韧的肖克利在点接触式的基础上，独自一人就发明了结型晶体管（PN结晶体管）。 严格意义而言，结型晶体管才是现代晶体管的始祖，它才是真正意义上开启了全球半导体技术的发展方向，同样，结型晶体管也是肖克利坚忍不拔的精神体现，所以，今天的人们也常常把结型晶体管（PN结晶体管）叫做“肖克利坚持管”。 图：肖克利发明的结型晶体管，这是全球第一个PN结晶体管  贝尔实验室的代理律师为这项划时代的发明—晶体管申请专利的时候，律师认为由于晶体管诞生的那一刻肖克利并不在场，同时，肖克利关于晶体管的场效应理论与此前一项已生效专利相冲突，因此在申请专利时，发明人一栏并没有署上肖克利的名字。 这下子可把肖克利给惹毛了，他每天不停地抱怨和“念念碎”，“晶体管的诞生完全是基于格老子提出的场效应理论，整个研究过程我也直接参与其中，现在居然说和我没关系”。 “格老子后场断球连过十人直接杀入禁区，怒射中门柱弹出，碰到巴丁与布拉顿的脚后入网得分，而现在你们却说这不关我事？” “更何况我是这个小组的领导人，没我的英明领导这两个小子会有今天的成就吗？这年头，运动员得个冠军还得先感谢XX感谢XX，写篇论文也得先署XX的名字。格老子我累得像狗一般的辛勤播种，最后尼玛的告诉我这和我没关系的，这TNNQ算啥玩意哈。” 还好，抱怨归抱怨，肖克利毕竟是天才。他独自秘密钻研，仅仅一个月后，就提出了更为先进及可行的“结型晶体管”的构想，并于1950年制成第一只结型晶体管。1951年，肖克利凭结型晶体管终于拿到了让他耿耿于怀的专利。此外，肖克利还在1950年发表了他那本堪称经典的《半导体中的电子和空穴》，在理论上详细阐述了结型晶体管的原理。肖克利要以自己的努力，向世界证明他才是真正的晶体管之父。 早在1948年1月23日，肖克利就基于罗素.欧尔在1940年发现的p-n结的模型就构思出一种截然不同的晶体管——结型晶体管。 图：肖克利在试验日记本上记录的结型晶体管的设想  肖克利并不认同巴丁对于晶体管工作原理的解释。他声称，带正电的空穴也可以穿透大块锗材料，而不仅仅是沿着表面层滴流。肖克利将这种现象称作为“少数载流子注入”。少数载流子注入这一理论对于肖克利的结晶体管—由n-型和p-型半导体组成的三层夹心结构的操作是至关重要的，这就是今天所有“双极”结型晶体管的工作原理。 图：肖克利在描述结型晶体管的原理—少数载流子注入  肖克利的“少数载流子”的理论设想能够转变为实际的物理学现象，还需要感谢一个人，贝尔实验室的科学家约翰N.希夫（John Shive），他亲自设计了一个实验，第一次以科学的手段证明了威廉.肖克利的“少数载流子”的理论设想是可行的。 John Shive（约翰N.希夫），是一位出色的物理学家，他在20世纪40年代末和50年代初在贝尔电话实验室开始从事晶体管的早期研究工作。 他最为人所铭记的是他在1948年2月进行的一项实验，这个实验首次证明了威廉.肖克利关于晶体管操作中少数载流子注入的理论思想。 1948年7月，肖克利正式在贝尔实验室内部技术期刊（贝尔系统技术期刊，第28卷第3期）上刊登了署名文章，第一次公布了关于结型晶体管（PN结晶体管）原理。 Shockley，William. “The Theory of P-N Junctionsin Semiconductors and P-N Junction Transistors” Bell System TechnicalJournal Vol. 28 No. 3 （July 1949）。 图：1948年7月，肖克利正式在贝尔实验室内部技术期刊上公布PN结晶体管的技术原理  图：肖克利提出的PN结晶体管的技术原理，刊登于贝尔系统技术期刊第28卷第3期  1948年9月24号，肖克利正式对结型晶体管（PN结晶体管）提出专利申请，专利名称为“半导体放大器（Semiconductor Amplifier）”，专利号为US 2569347。1950年4月4号，正式获得批准发布，但是奇怪的是，一直到1951年9月25号才获得正式生效。 图：肖克利发明的结型晶体管的专利  两年来，肖克利一方面继续进行他的研究，另外一方面就是不断打压和排挤巴丁和布拉顿。最终，布拉顿不愿意再与他纠缠于谁是晶体管之父，谁爱当谁当去！他坚决要求调到其它研究小组，不愿再与肖克利共事。 至于巴丁则更加干脆，他二话不说拔腿走人，挥挥手不带走一片云彩就离开了贝尔实验室，到伊利诺伊大学当教授去了。他培养的首个博士生霍洛尼亚克（Holonyak）成为LED的发明人。而他自己，也因为与库珀、施里弗共同创立了BCS理论，对超导电性做出了合理的解释，获得了他的第二个诺贝尔物理奖。 虽然，肖克利的脾气和口碑不好，但毕竟是“技术大拿”。虽有巴丁和布拉顿的前车之鉴，但是贝尔实验室其他科学家们还是非常愿意和他共同工作的，因为半导体这一新技术太诱人了。 1950年，肖克利和M.斯帕克斯、戈登.K.蒂尔在“PN结晶体管”的基础上，成功研制了NPN结型晶体管。 图：结型晶体管（PN结晶体管）结构示意图  1950年，肖克利将晶体管、PN结晶体管等相关半导体技术汇总，并编写了一本经典著作《半导体中的电子和空穴》，由纽约Van Nostrand出版社正式出版。 图：肖克利经典著作《半导体中的电子和空穴》第一版，收藏版  1951年7月，美国《物理学评论》杂志第83卷第1期，正式刊登了PN结晶体管的文章，这是全球第一篇正式发表的描述结型晶体管制作的学术性技术论文。 Shockley,William；Sparks, Morgan and Teal, Gordon K. “p-n Junction Transistors” Physical Review, Vol. 83,No. 1 （July 1951）。 图：1951年7月《物理学评论》杂志第83卷第1期，正式刊登了PN结晶体管的文章  William Shockley（威廉.肖克利），1910年2月13日—1989年8月12日，美国物理学家。 威廉.布拉德福德.肖克利出生于英国伦敦，父母是美国人。1936年至1955年，他在贝尔电话实验室当物理学家，后来搬到加利福尼亚州，成立了自己的半导体公司。1963年，他成为斯坦福大学的工程学和应用科学教授，1989年去世。 肖克利在英国和加利福尼亚长大，1932年在加州理工学院获得学士学位，1936年在麻省理工学院获得理论物理博士学位。在贝尔实验室，他在第二次世界大战期间转向运筹学之前从事固体物理学。1945年，他回到贝尔实验室，组织了一个新的固态研究小组，其中包括约翰.巴丁和沃尔特.布拉顿。由于他们发明了点接触晶体管，他于1948年1月发明了结型晶体管；事实证明，结型晶体管更可靠，更容易制造。 他与巴丁和布拉顿分享了1956年诺贝尔物理学奖。那年，他还创办了肖克利半导体实验室，吸引了十几位顶尖的科学家和工程师。他们中的八个人很快就离开了，在帕洛阿尔托附近创建了仙童半导体公司，在那里他们开发了第一批商业集成电路。 1963年，肖克利离开斯坦福大学后，他开始支持关于种族和智力的有争议的观点而受到广泛的批评。 不可否认，肖克利，这是一个理论科学世界的天才，如果不是美国军方的反对，他甚至是核反应堆的专利获得者。 肖克利还碰巧设计出了世界上第一个核反应堆。一九三九年，全世界的物理学家的注意力都在核裂变上。贝尔实验室指定肖克利和詹姆斯.费斯克（James Fisk）对核裂变作为新能源的可行性做一调研。贝尔实验室给了两人一间小屋子。 一天，肖克利在淋浴之时，突然想到：“如果把两块铀分开，中子就会慢下来，也就是说不会被俘获，这样的话就能用其来轰击铀235。”两个月后，两人制作出了世界上第一个核反应堆。 这件事立刻被报到了华盛顿白宫，美国政府严密封锁了这一成果，连美国科学家都不让知道。甚至，美国政府动用一切手段阻止了肖克利和费克斯申请专利。直到二战结束后，曼哈顿计划（Manhattan Project）的科学家们才知道此事，而他们采用的也是这一肖克利和费克斯所提出想法发明了核反应堆。 第二次世界战爆发后，肖克利加入了美军的军事研究部门工作。他先是到了哥仑比亚大学负责反德国U型潜艇方面的研究，1944年后他又组织实施了一个空军训练计划，训练B-29轰炸机飞行员使用新型的雷达投弹瞄准器。 为了检验实战效果，他还花了3个月的时间，到各个空军基地检验实战效果。肖克利的努力没有白废，号称空中堡垒的B-29成为向日本本土实施地毯式焦土轰炸的主力。向广岛和长崎扔下了两颗原子弹，也正是B-29。实事求是的说，肖克利在战争期间的努力和工作为人类的解放事业和命运前途做出了贡献。 太平洋战争未期，美国曾计划对日本本土展开一场大规模的两栖登陆作战行动，代号“没落行动”（Operation Downfall），希望借此迫使日本投降。在行动之前，为最大限度避免伤亡，美国军方和各情报机构都对行动可能遭遇的风险进行全面深入地分析。美国战争部也专门委托肖克利为他们作一份伤亡评估报告。肖克利经过分析，认为登陆作战最终会造成日本方面500万到1000万军民的伤亡，而考虑到日本将会是全民参战，美军方面的伤亡数字，也将会达到170万到400万，其中死亡人数会达到40万到80万人。 肖克利的评估是否准确我们无法得知，但肖克利的这份报告与其它的评估报告一道，最终影响了高层的决策，“没落行动”这场规模空前的大战役未能付诸实施，最终以两颗原子弹结束战事。 为了表彰肖克利在战争期间所作的贡献，1946年，美国战争部长罗伯特.帕特森亲自授予肖克利“优秀勋章”。 1956年，全球科学界正式恢复了肖克利在半导体晶体管发明上的名誉和地位，三人共同获得诺贝尔物理学奖，排名依次为肖克利、布拉顿和巴丁。 在半导体晶体管的发明中，有两位科学家和中国有着解不开的渊源，一位是布拉顿，出生于中国福建省厦门市，他的父母亲当时在中国教书。一位是巴丁，这是物理学史上的天才，拿过两次诺贝尔物理学奖，并且招收和培养了许多的中国留学生，比如萨支唐、包传贤等，其中的萨支唐先生后来成为了今天的现代半导体工业的先驱之一。 沃尔特.豪泽.布拉顿（Walter Houser Brattain），1902年2月10日至1987年10月13日，美国物理学家。1902年2月10日生在中国厦门，他父母是美国人，20世纪初来到中国并生下了他。 图：半导体晶体管的发明者—沃尔特·布拉顿  布拉顿的少年时期是在牧场上度过的。他1924年毕业于惠特曼学院（在华盛顿州沃拉沃拉），1929年在俄勒冈大学获得了物理学硕士学位，在明尼苏达大学取得博士学位。同年，他进入贝尔电话实验室，成为一名物理学研究人员。在贝尔实验室，他首先与约瑟夫.贝克合作研究氧化铜整流器的物理学。第二次世界大战期间，他在那里从事潜艇磁探测的研究工作。 第二次世界大战结束之后，布拉顿回到贝尔实验室，并于1945年加入了一个由威廉.肖克利领导的固态物理小组。1947年，他和约翰.巴丁一起发明了第一个半导体晶体管，叫做点接触晶体管；1952年，他们获得了这项突破性发明的专利。随后，巴丁、布拉顿和肖克利共同获得了1956年诺贝尔物理学奖，以表彰晶体管的发明。 1967年，他接受惠特曼学院的聘请，担任了自己母校的教授。 约翰·巴丁（John Bardeen），1908年5月23日至1991年1月30日。 美国物理学家，电气工程师。一位两次获得诺贝尔物理学奖章的得主。1956年同W·H·布拉顿和W·肖克利因发明晶体管获得诺贝尔物理学奖，1972年，同L·N·库珀（Leon Cooper）和J·R·施里弗因（J Robert Schrieffer）提出低温超导理论获得诺贝尔物理学奖。 1908年5月23日生于威斯康星州麦迪逊城，1923年考入威斯康星大学电机工程系就学，毕业后即留在该校担任电机工程研究助理。1930-1933年在匹兹堡海湾实验研究所从事地球磁场及重力场勘测方法的研究。 1928年获威斯康星大学理学士学位，1929年获硕士学位。1936年获普林斯顿大学博士学位。1933年到普林斯顿大学，在E·P·维格纳的指导下，从事固态理论的研究。1935-1938年任哈佛大学研究员。1936年以《金属功函数理论》的论文从普林斯顿大学获得哲学博士学位。 图：半导体晶体管的发明者—约翰·巴丁  1938-1941年任明尼苏达大学物理学助理教授，1941-1945年在华盛顿海军军械部的军械实验室工作，1945-1951年在贝尔电话公司实验研究所研究半导体及金属的导电机制、半导体表面性能等基本问题。1947年和其同事W·H布拉顿共同发明第一个半导体三极管，一个月后，W·肖克莱发明PN结晶体管。这一发明使他们三人获得1956年诺贝尔物理学奖，巴丁并被选为美国科学院院士。 1951年，巴丁到伊利诺伊大学担任电气工程和物理学的教授。1955年，他开始与库珀和施里弗一起认真研究超导的现象和理论。两年后，他们发表了成功的超导BCS理论，他生命的最后40年是在伊利诺伊州厄本纳的伊利诺伊大学度过的。 1991年，巴丁，这位人类有史以来唯一一位两次获得了诺贝尔物理学奖的得主，在美国伊利诺伊大学去世。 从点接触晶体管到PN结晶体管，这是全球半导体硅含量提升周期之历史长河中迈出的关键一步，PN结晶体管相比较于点接触晶体管，具有更容易制造、性能更加可靠的优点。PN结晶体管的提出为全球半导体工业发展进程起到了巨大的推动作用。 感谢您一直以来、长期持续关注《中国半导体产业的思考——随笔》和《芯片战争——亮剑！国运之战》相关系列报告以及敬请您持续关注后续系列！ 如果您喜欢本文，欢迎转发和转载。谢谢。 注1：本文部分图表、数据等引用于互联网、公司公告等； 注2：本文相关专利信息和说明等引用于互联网以及国家相关专利机构等； 注3：本文相关公司信息、产品等引用于互联网，外媒、公司公告等； 注4：本文相关行业数据、产业信息等来自国家统计局、工信部等； |
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