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晶体管诞生70年 回首中国集成电路来时路

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-12-15 10:06  来源:科技日报  浏览次数:429

  晶体管诞生70年,回首中国集成电路来时路

  本报记者 张盖伦

  “时间:1947年12月16日

  日记号:38139-7”

  70年前,当物理学家沃尔特·布拉顿像往常一样写下他的实验日记,他不曾预料,一个时代即将开启。

  这场实验的主角是一个比火柴棍短且粗的半导体放大器,后来,它被命名为点接触式晶体管。

  点接触式晶体管成了人类打开晶体管大门的第一把钥匙。大门推开后,一场信息技术革命席卷全球。

  70年后,晶体管已经变得几乎无处不在。人类以其为砖瓦,搭建出一个个虚拟世界。我们至今仍未找到晶体管的替代品,以其为基础的集成电路,还将被人类长期依赖。

  晶体管的问世,人类微电子革命的先声

  晶体管诞生之前,人们已经有了电子管,或者叫真空管。

  电子管具有信号放大作用,但是毛病一箩筐——寿命低、体积大、可靠性差。

  所以,人们希望找到一种器件替代电子管。美国电话电报公司(AT&T)下属的贝尔实验室成了寻找路上的开路先锋。

  贝尔实验室创建于1925年。成立伊始,它就是世界上规模最大的工业实验室。3600名工作人员中,有2000名是技术人员。

  1945年7月,二战临近结束,为了适应战后研究方向的调整,贝尔实验室进行了各个研究部门的改组。

  这次改组中,物理部门成立了3个研究小组,其中之一就是固体物理研究组。该组又分为半导体和冶金两个小组,麻省理工大学博士肖克莱兼任半导体小组组长。他将小组的研究计划,定为研制“半导体放大器”。

  半导体是指常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料,像硅和锗,就是常见的半导体材料。

  清华大学微电子所所长魏少军说,要理解晶体管的工作原理,可以想象一个大坝的水闸。

  当大坝闸门合上,无水流出,水力发电机就无法发电;当闸门打开,水流涌出,水力发电机就可以输出电流。“闸门的开合直接影响到了水力发电机的运转,这就是用一个弱信号,去控制了一个强信号。”而晶体管的基本原理,就是“放大”,用小电流去控制大电流。

  贝尔实验室对晶体管的构思由来已久。晶体管的诞生,是长期积累的结果。从诺贝尔奖的归属来看,荣誉最终给了3个人——肖克莱、布拉顿和巴丁。

  1947年12月16日,摆在布拉顿和巴丁面前的,是一个多次改进后的、构筑在锗晶体之上的器件。锗晶体表面,用一根弹簧压着一个两边包裹着金箔的三角形塑料楔子。这两边的金箔,就是信号的输入端和输出端。

  就是它,在那天的实验中,成功放大了30%的输出功率和15倍的输出电压。

  用现代标准来衡量,这点触式晶体管的原型实在太过质朴笨拙,但无可否认,它就是人类微电子革命的先声。

  在它之后,又有双极型、单极型晶体管和硅晶体管相继问世。

  “从移动计算到智能计算,当今时代的种种变化,都离不开电子信息系统。而晶体管,是其中最为基础的器件。”魏少军说,晶体管之于信息革命,如同铁器之于农业革命,如同蒸汽机之于工业革命,“它的重要性怎么强调都不为过。”

 
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