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贝尔实验室第一个点接触式晶体管

  芯片技术并不是外星科技,而是人类科技发展到一定程度,智慧的高度结晶,每一次进步都有它的内在逻辑。今年中兴断芯的危机,引发了一场全民大反思,为什么中国缺芯?其实在芯片方面,即使很多核心科学技术方面远超中国的前苏联也远远落后于西方国家。
 
  昨天饭统戴老板的文章刷屏了,文章更多是从产业历史,家国情怀,产业投资等角度叙述的。我不否认这些很重要,但从美苏日台韩的经验教训来说,靠这些根本不够的。
 
  本来这是我的一个系列文章:试图回顾美国芯片技术发展的历史,带来一些启发。本想等一起写完再全部放出来的,但是现在为了“中国芯”大讨论提供一些观点,提前整理放出来一篇。
 
  20世纪人类首先经历了无线电技术革命,发明了电报,电话等技术。因为无线电技术的广泛使用,又催生了真空电子管技术。第二次世界大战,冷战中的太空竞赛,推动了军事技术的革命。军事技术的革命,催生了集成电路产业革命。由于芯片技术的成熟,又催生了个人电脑的技术革命。当个人电脑技术革命完成之后,又催生了互联网的革命。进入二十一世纪,其实还可以加一个移动互联网的的革命。
 
  1883年,爱迪生正在为寻找电灯泡最佳灯丝材料,曾做过一个小小的实验。结果,他发现了一个奇怪的现象:金属片虽然没有与灯丝接触,但如果在它们之间加上电压,灯丝就会产生一股电流,射向附近的金属片。
 
  这股神秘的电流是从哪里来的?爱迪生也无法解释,但这不妨碍他不失时机地将这一发明注册了专利,并称之为“爱迪生效应”。
 
  虽然后来,有人证明电流的产生是因为炽热的金属能向周围发射电子造成的。但最先预见到这一效应具有实用价值的,则是英国物理学家和电气工程师弗莱明(Sir John Ambrose Fleming)。
 
  1904年弗莱明利用爱迪生效应搞出来的第一个二极管(Diode),并获得了专利。这个二极管干可以用来做无线电电报的检波器。二极管这个东西在实验室中很好,但是一到实际应用场合就不很稳定。
 
  每次技术革命浪潮,都是以前面的一个技术革命为基础。由于中国的历史原因,几乎错过了所有的技术革命,只抓住了互联网革命的尾巴,并在此基础上快速抓住了移动互联网革命,一下子走在了世界前列。
 
  然而这些优势都是建立在前面几场技术革命基础上的,如果今天美国及其盟国,对中国进行最严格的禁运:
 
  1906年美国发明家,Lee de Forest (这个人故事很多)在二极管的灯丝之间巧妙加了一个栅板,从而发明了第一个真空电子三极管。 (grid Audion) 用于检波放大。我估计Lee打死也没有想到他这个发明的意义。
 
  三极管的专利原文 1907年1月提交三极管的专利原文 1907年1月提交
 
  但是早期的真空三极管真空度不高,导致性能不稳定。
 
  1912年,美国通用电气公司和美国电话电报公司合作研制出了高真空电子三极管,电子三极管的应用进入快车道。 这是具有划时代意义的产品,直接创造出了广播,电视,计算机等行业,是今天电子产品的奠基石。
 
  第一台电子计算机 ENIAC第一台电子计算机 ENIAC
 
  1943年,当二战激战正酣时,美军迫切需要高速计算工具,以计算炮弹的弹道。在迅速获得15万美元的预算后,速度成为第一诉求,继电器在收到信号后因为有百分之一秒延时而拖慢计算速度注定要被抛弃。真空三极管无机械结构,让计算机可以快速的通过控制栅极电流,来开启或关断电子管两端的电流,获得比继电器速度快成千上万倍的开关速度。这对于提升当时计算机的速度大有好处。正因为这样的优势,让电子管击败继电器,成为早期计算机的核心运算部件。
 
  第一台电子计算机用了 :17468个电子三极管、7200个电子二极管。
 
  电子管比继电器的优点,快,显而易见。但是在制造ENIAC的过程中电子管的问题也暴露出来了,傻大笨粗。 ENIAC总重达30吨!
 
  晶体管时代
 
  二战结束后,美国贝尔实验室成立了一个固体物理研究小组,他们试图要制造一种能替代电子管的半导体器件,天才兼人渣威廉肖克利任组长。
 
  肖克利是一位人渣,但不妨碍他也是一位天才。此人能力很强,但是人品和管理非常糟糕,这也为后来肖克利实验室的失败埋下了伏笔。但是此人的能力绝对一流的。
 
  1936年他在导师Davisson的指导下发表了多篇固体物理论文,并于1938年获得第一个专利“电子倍增放大器”。
 
  1939年他还设计了第一个场效应管,尽管当时这个器件没有被制造出来,但是这个模型在集成电路中广泛使用。
 
  贝尔实验室就对半导体材料进行了研究,发现掺杂的半导体整流性能比电子管好。因此小组把注意力放在了锗和硅这两种半导体材料上。在肖克利的领导下,他们尝试、失败、再尝试、再失败。
 
  1947年12月15日,这种实验结出了硕果:他们用刀片在三角形金箔上划出了两道极细的缝隙,然后两边分别接上导线,用弹簧将其压进锗块表面。这是一个由锗、电池、金线、弹簧、纸板、组成的小装置。连好线后,当锗块上的两个接触点越来越近时,他们观察到了电压放大作用:1.3v电压被放大了15倍!
 
  改变历史的第一个晶体管诞生了。
 
  贝尔实验室第一个点接触式晶体管贝尔实验室第一个点接触式晶体管
 
  在贝尔实验室申请专利的时候,专利律师认为,肖克利的一项专利与新发明的专利之间有冲突,所以没把他加上。
 
  肖克利火了,晶体管的诞生是基于他的理论,晶体管的研究他也直接参与了,但是最后专利上没有他的名字。他一生气,自己关了一个月后,在1948年1月23日,提出了更为先进可行的结晶型晶体三极管构想(Junction  transistor)。
 
  1950年11月,第一只结晶型三极管研制成功。这是今天所有集成电路的鼻祖。同时他还出版了一本书,详细阐述了结晶型半导体器件的理论和原理。让所有人都知道到底谁是晶体管之父。
 
  肖克利的天才让他靠这个成果,赢得了诺贝尔奖。但是他的人渣特性,也让贝尔实验室的研发团队遭受重大挫折。但这不妨碍,晶体管开始逐渐替代电子管。最直接的产品就是收音机。
 
  1950年代,第一代的晶体管收音机,大大降低了成本和体积1950年代,第一代的晶体管收音机,大大降低了成本和体积
 
  而相比较的是中国,在1960年代还在大规模生产电子管的收音机,很晚才大规模生产出晶体管收音机。
 
  上海144电子管收音机上海144电子管收音机
 
  集成电路时代-从实验室到市场
 
  在1950年代末,美苏进入太空竞赛阶段。
 
  苏联早早地把人送上了太空。美国急需将各种设备小型化,需要把大量电子管的产品替换成晶体管的产品。早期的晶体管技术还是实验室技术,离大规模生产还有一大段距离。
 
  国内经常有一种错觉:
 
  我们用集中力量办大事的模式,在实验室搞出一个产品,就真的“填补了国内空白,达到国际先进水平”。
 
  从实验室到市场有非常长的路要走,也是最难走的。
 
  晶体管之父肖克利在发明三极管后离开了贝尔实验室,去找了一批最优秀的科学家准备产业化生产晶体管。可惜肖克利这个人相当mean,管理能力一塌糊涂。从肖克利实验室中分裂出了大名鼎鼎的“仙童八叛将”。
 
  仙童八叛将(3位是移民)仙童八叛将(3位是移民)
 
  这八个人中有一位Kleinier ,找到了负责他爸爸企业银行业务的纽约海?登斯通投资银行(Hayden Stone & Co。)。他们给投资银行去了封信,附了一份投资计划(BP)计划书除了提到他们曾在诺贝尔奖得主及晶体管发明人手下工作过。这份计划书,转到了投行员工Arthur Rock的手上,他敏锐地发现了其中的机会。Rock认为他和这8个人一起成立公司,开发半导体器件。
 
  Rock说服自己的老板Coyle一起去加州见这8个人。Kleiner说,他们计划用硅产业化制造晶体管,如果成功,将是一场电子工业革命!
 
  两个银行家被打动了,Coyle说,我没有准备协议书,拍出10张一美元的纸币,哥们,要入伙的,在上面签字。仙童八叛将与两位银行家在1美元纸币上签了名字。
 
  硅谷第一家真正意义上的由风险投资资本投资创业的半导体公司诞生了!
 
  收藏在斯坦福图书馆的签名版1美元纸币收藏在斯坦福图书馆的签名版1美元纸币
 
  1957年9月18日,八个年轻人向肖克利辞职。肖克利没想到,他这些员工居然不感恩戴德,反要辞职。肖克利大怒,称他们为“叛逆八人帮”(traitorous eight)。肖克利创造的“叛逆八人帮”一词,很快成了一个硅谷传奇、一个高科技传奇、一个美国传奇。这种叛逆精神成了硅谷的一种全新的创业精神,影响了几代硅谷人。
 
  美苏冷战给仙童带来了巨大的发展机会,仙童公司的销售在报纸上得知IBM在为空军设计导航计算机,但是找不到合适的晶体管。德州仪器的硅管没能通过IBM测试。仙童公司迅速抓住了机会,通过大股东的关系,找到了IBM,拿到了第一张订单 :IBM向仙童以每个150美元的价格,订购100个硅管。半年后,仙童八叛将,将100个双扩散NPN型晶体管交付给IBM。
 
  这时是1958年,公司成立仅仅1年!
 
  虽然,传统的电子管替换成晶体管,减少了体积。但是随着晶体管越堆越多,新的问题出现了:电路中器件和连线也越来越多,电路的布线和响应都遇到了瓶颈。唯一的出路就是缩小电路尺寸。
 
  1958年,仙童八叛将之一的Jean Hoerni发明了平面工艺,解决了晶体管的绝缘和连线问题。技术上解决了把晶体管拍平放在同一个晶片上的问题。
 
  1959年1月23日,仙童八叛将之一的Noyce,写下了:如何制造集成电路问题,可以把不同的元件制作在一块晶片上,然后用平面工艺再把各个元件连接起来。这样,就可以在一个硅片上实现一个逻辑电路。大大减少了尺寸,布线,功耗,成本。
 
  而与此同时1958年7月24日,德州仪器TI的Kilby在工作笔记中也写道:
 
  “由很多器件组成的极小的微型电路是可以在一块晶片上制作出来的。由电阻、电容、二极管和三极管组成的电路可以被集成在一块晶片上。”而且他在笔记中记录了大概的工艺构思。
 
  1958年8月28日,Kilby把他自己的设想实现了:
 
  很快他对电路做了一些改进。在这个时间节点上很多有技术实力的公司都在冲刺集成电路。一家叫RCA的公司,准备在1959年初递交集成电路专利。TI非常紧张,赶紧帮Kilby 准备了宽泛的专利,于2月6日交给了专利局。
 
  而此时仙童公司也在1959年2月提交了集成电路的专利申请书,但是强调了仙童的集成电路使用平面工艺来制造集成电路的。
 
  1959年8月仙童公司展示的第一块商业集成电路1959年8月仙童公司展示的第一块商业集成电路
 
  TI和仙童公司进入旷日长久的专利诉讼。最后的结果是,法庭将集成电路的发明权授予了TI的Kilby,内部连线技术专利授予了Noyce。相当于承认他们两人是集成电路的共同发明人。1966年,双方达成协议,承认对方享有部分集成电路发明专利权,其他任何生产集成电路的厂商,都要从TI和仙童取得授权。
 
  从此人类社会进入集成电路时代,摩尔定律一步一步提高晶体管的集成度。今天随便一个PC的CPU内部都是10亿以上的晶体管。
 
  而在集成电路这次技术革命上,中国和苏联已经在科技树上走到叉道上去了。
 
  苏联的芯片之痛
 
  前苏联的科学家一直是非常出色的,在跟踪了西方发展之后:
 
  1953年,就搞出了苏联第一批的点接触锗型晶体管。
 
  1955年,面接触锗型晶体管问世。
 
  1956年,硅晶体管问世,比美国仅仅晚了6年。
 
  但是苏联在科技上走的很多一些弯路是学阀造成的。最典型的例子是苏联生物学中李森科,极大阻碍了苏联的生物学发展,凡是不同意见,哪怕仅仅是学术意见不同,统统封杀。
 
  苏联的集成电路的产业化在苏联内部遭到了各种阻力,有些是出于部门利益,有些是出于无知,有些是出于学术分歧。苏联半导体权威约飞院士都不支持锗半导体研究,据复旦大学物理系教授王讯回 忆1956年他在中国科学院物理研究所进行半导体研究实习的时候说:
 
  当时国内的锗、硅半导体材料是根本没有的,在苏联也不重视对锗材料和锗晶体管的研究。苏联当时半导体界受其权威约飞的控制,只相信他们自己的研究方向,做半导体热电效应和温差发电等。国内的研究受到他们影响,因为当时国家的十二年科学规划是苏联专家帮助制订的。所以在 1955 年,我们只能做氧化亚铜,这种材料是早期发现的一种半导体材料。
 
  由于苏联国内的斗争,1956年在苏联部长会议一次讨论中,出现了“晶体管永远不会成为一个有用的东西,充其量就是做助听器,让社会保障机构去干 吧!”的结论。
点击次数:  更新时间2018-05-17  【打印此页】  【关闭
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