從電子管到集成電路①

摘 要：電子技術的迅速發展，是20世紀以來最重大而又影響深遠的科技成就之一。電子工業的發展和電子技術的水平，已經成為衡量一個國家現代化程度的重要尺度。通過梳理電子技術的發展歷程，找尋一門技術從出現發展到成熟的內在邏輯，并提出自己得見解，正是這篇文章的意義所在。

關鍵詞：電子管 晶體管 半導體 集成電路

中圖分類號：TN11 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（c）-0238-02

1 電子管的誕生

1883年美國發明家愛迪生在進行提高電燈燈絲壽命的實驗時在燈絲附近安放了一根金屬絲，然后他意外地發現通電加熱的燈絲和這根金屬絲之間竟然出現了微弱的電流。通過進一步的實驗，愛迪生發現當金屬絲對燈絲的電壓為正時有電流通過，而當電壓為負時則沒有電流。這種現象就是“愛迪生效應”，它成為后來發明電子管的基礎。1897年，英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆生（J.JThomson，1856—1940）通過對陰極射線的研究，證明了從熾熱燈絲會發射出一種帶負電的粒子流，這就是電子。由于電子的發現，人們終于明白“愛迪生效應”就是真空中的熱電子發射現象。

1889年英國工程師弗萊明（J.A.Fleming，1849—1945）在當時迅速興起的電子學的基礎上，開始對愛迪生效應進行了深入研究，終于在1904年發明了第一種電子元件：一種可用作電磁波檢波器的二極電子管。二極管發明之后，美國無線電工程師德·福雷斯特（L.de Forest，1873—1961）即對弗萊明的發明進行了深入研究。為了改進二極管的性能，福雷斯特于1906年進行了在二極管的負極加入一個電極的實驗。實驗結果發現，在正極負極之間加入一個金屬絲支撐的柵極時，其檢波效果最佳，不久還發現三極管對電流有放大作用。

二極電子管和三極電子管的發明奠定了電子元件的主要技術基礎，是具有劃時代意義的技術發明。由于電子元件技術的帶動，另一電子基礎技術—— 電子線路也得以迅速發展，兩者一并為后來的廣播、電視、雷達等電子應用技術的興起提供了技術基礎。雖然電子管作為20世紀前半期電子技術的基礎，寫下了光輝的一頁，但它也暴露出一些弱點，主要是體積大、重量重、耗電多、壽命短、需預熱等，這同電子設備的發展要求提供體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、起動迅速的元器件，形成了尖銳的矛盾。這就迫使人們去尋求新的性能更優異的電子器件。

2 半導體物理學的興起

半導體物理學是凝聚態物理學的主要分支之一，在第二次世界大戰之后得到了迅猛發展。它的興起與30年代中后期相關技術背景和相關科學基礎的形成有直接的內在聯系。

在技術背景方面，到30年代中后期的時候，以熱機技術和電力技術為主要技術標志的第二次工業革命在德、美、英等國家已基本完成。以電子管為主要技術基礎的電子技術經過從20世紀初到30年代中后期的發展，其技術已經基本成熟，其技術局限也日趨明顯。

在科學基礎方面，布洛赫提出的能帶理論為半導體物理學的發展提供了重要的理論基礎。所謂能帶理論，是研究固體中電子運動規律的一種近似理論。固體由原子組成，原子又包括原子實和最外層電子，它們均處于不斷的運動狀態。為使問題簡化，首先假定固體中的原子實固定不動，并按一定規律作周期性排列，然后進一步認為每個電子都是在固定的原子實周期勢場及其他電子的平均勢場中運動，這就把整個問題簡化成單電子問題。到1931年英國物理學家威爾遜提出區分絕緣體、半導體和導體的微觀理論判據之后，半導體物理學已經開始呈現向半導體技術初步轉化的態勢。

晶體管的出現

由于半導體物理學的興起以及電子管本身材料與技術的局限性，美國貝爾實驗室研究部電子管分部主任、固體物理學家凱利（M.Kelly）敏銳地察覺到電子技術可能正面臨著一場大革命。1939年，凱利組建了以肖克利（W.Shockley）、巴丁（J.Bardeen）、布拉頓（W.H.Brattain）和伍德里奇（D.E.Woodridge）等人為主要成員的半導體學物理小組。這是一個年富力強，既有深厚的固體物理理論素養，又有豐富的實驗技術經驗的科研集體。他們的目標是：探索半導體的導電機制，研制能消除電子管缺陷并具有放大功能的新型電子器件。

1947年12月，研究小組發現金屬與半導體表面形成的兩個充分靠近點接觸的結，存在著相互作用。巴丁和布拉頓根據這個效應重新制訂了方案，12月23日終于研制出世界上第一支晶體三極管，它是用半導體鍺制成的點接觸型晶體管。1956年，肖克利、巴丁、布拉頓三人由于晶體管的發明和半導體物理學的杰出貢獻，共同獲得了諾貝爾物理學獎。

3 P-N結理論

肖克利及其小組成員在研制第一代晶體管的同時，在固體物理學已有的電子理論、量子理論和能帶理論的基礎上，對半導體物理的導電性進行了深入研究。1949到1950年間，他們提出了以半導體電子理論為基本內容的P-N結理論。P-N結理論主要有三個方面。

其一，半導體有N型半導體和P型半導體兩種不同的類型。N型半導體參與導電的主要是帶負電（negative）的電子。這些電子來自于半導體中的施主，如含有適量的五價元素砷、磷、銻的鍺或硅，即是這種N型半導體。P型半導體參與導電的主要是帶正電（positive）的空穴。這些空穴來自半導體中的受主，如含有適量的三價元素硼、銦、鎵的鍺或硅，即是這種P型半導體。

其二，N型半導體和P型半導體的交界層能形成P-N結。由于P-N結具有單向導電性，因此以P-N結為基礎的二極管對電流具有整流作用。

其三，以P-N結為基礎，可以形成PNP或NPN兩種類型的組合P-N結。由于組合P-N結具有三極，因此以它為基礎的三極管與電子三極管一樣，對電流具有放大效應。

4 晶體管的大規模生產

在肖克利及其小組成員提出P-N結理論之后，肖克利根據對晶體管工作機理的分析，又提出了PNP和NPN結型晶體管的理論。1950年貝爾電話實驗室的斯帕克斯（M.Sparks）等人研制出了這種結型晶體管（或稱面觸型晶體管）。它同點接觸型晶體管相比，結構簡單、牢固可靠、噪聲小、宜于大批量生產。

晶體管的大規模生產除了自身技術硬件指標達標外，原材料的數量和質量的供應以及產品的生產工藝也是決定晶體管能否大量生產的重要因素。1952年，范（W.G.Pfann）發明了生產高純度鍺的區域提純熔煉工藝；1954年蒂爾（G.KTeal）和比勒（E.Buehler）改進了拉制單晶硅的工藝；同年，富勒（C.S.Fuller）研究出了一種新的摻雜方法—— 擴散工藝。他們均來自貝爾實驗室。1959年，仙童公司的霍爾尼（J.A.Hoerni）發明了平面工藝，并制出了第一個平面型晶體管。這些成果為晶體管的大規模生產和半導體工業的發展創造了條件，尤其是擴散工藝和平面工藝，不但將晶體管的工作頻率推到了超短波波段，而且使晶體管的管芯結構圖形達到前所未有的精密和微小程度，從而為晶體管的微小型化開辟了道路。

5 集成電路

晶體管可以大規模生產以后，其體積小、重量輕、能耗少、壽命長、可靠性高、不需預熱、電源電壓低等一系列優點使它全面取代了電子管。但是，晶體管取代電子管，還只是一個器件代替一個器件。對于大型電子設備，有時要用到上百萬個晶體管，這就要幾百萬個結點，這些結點就成了出現故障的淵源；同時，生產部門和軍事部門希望電子設備進一步微小型化，這都強烈地推動人們去開辟發展電子技術的新途徑。

20世紀50年代，用硅取代鍺作晶體管材料，以及制作晶體管的擴散工藝、平面工藝等，都相繼研究成功，這就為集成電路的研制提供了技術基礎，而掌握這些技術的美國德克薩斯儀器公司、仙童公司也就具備了更有利的條件。1959年初，美國德克薩斯公司的工程師基爾比（J.Kiby）利用擴散工藝，很快就在一塊1.6×9.5平方毫米的半導體材料上，制成了包括1個臺面晶體管、一個電容和3個電阻的移向振蕩器，從而研制成功了第一塊集成電路。與此同時，美國仙童公司的經理諾伊斯（R.N.Noyce）運用平面工藝制成了更專業化，更適合于工業生產的集成電路。1961年，集成電路即在美國實現了商品化生產。

同半導體分立電路相比，半導體集成電路具有容量大、體積小、組裝快等優點。因此集成電路自問世以后，其發展速度可謂突飛猛進。自1961年以后的短短20余年內，集成電路的集成度便由最初的100個元器件以內發展到10萬～100萬個元器件之內。

6 電子技術發展的內在邏輯

從電子管到集成電路，短短60余年間，電子技術就從電力技術的附屬產物蛻變成整個社會的主流技術。愛迪生發現了“愛迪生效應”，但他卻不能對這個現象做出完滿的解釋，于是便吸引著其他的科學家來解決問題，逐漸形成科學共同體。一項新技術其誕生必然源于自然現象，其發展必然會形成科學共同體。湯姆生發現電子，解釋了“愛迪生效應”為電子技術的起步打下了理論基礎。弗萊明發明了真空二極管、德弗雷斯特發明了真空三極管，他們成功的將理論轉化為技術產品，其中的轉化必然有現實需求的牽引。當電子管的元件缺陷與電子技術高速發展形成尖銳矛盾時，半導體物理學理論開始蓬勃發展起來，而半導體物理學的蓬勃發展又離不開電子技術這個載體。半導體物理學理論的發展促使晶體管的誕生，而P-N結理論則是研制晶體管的理論衍生物，又反過來促進了半導體物理學的發展。而從晶體管發展到集成電路，則是純技術工藝上的進步。

縱觀整個電子技術從“愛迪生效應”發展到集成電路，其科學技術軌跡可以大致概括為：發現現象→探究現象→形成理論→衍生技術→升華理論→技術飛躍→技術完善→技術成熟。

另一值得注意的現象在電子技術的發展進程中，大部分的研究人員都是默默無名卻又充滿干勁的年富力強的青壯派科學家。如，參與研發出第一支晶體三極管并發表了P-N結理論的肖克利、巴丁和布拉頓三人在1956年獲得諾貝爾獎時也才不到50歲。我認為導致這種現象的主要原因有三點：其一，電子技術的科學吸引力強。電子技術對于當時的學術界來說是非常前沿的，也充滿了科學的神秘性，這種特性對那些剛畢業的青年才俊來說既能滿足自己的好奇心，又能做比較時髦的研究，那是再好不過了。其二，電子技術相較其它領域容易出成果。電子技術是一門新興的技術領域，探索的空間較其它傳統領域更為寬闊，也更容易出成果，作為默默無名的青年科學家，自然想更快的成就一番事業。其三，電子技術的社會需求量大。由于當時的電力技術已經非常成熟，人們用電已經得到普及，相應電子產品的需求量也是極大，如收音機、電視等家用電子產品。廣闊的市場需求使得資本家們將大量的資金注入電子行業以謀求更高的回報。毫無疑問高額的薪水和獎金對于急需金錢的年輕人來說是頗具吸引力的。

參考文獻

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