信息、知识与社会 |
|
|
|
编 者 按】信息技术的快速发展，骤然间使整个人类社会的空间缩小，并以其越来越
快的步伐改变着以往的社会框架结构。知识经济时代的来临，推动着社会中轴结构的转
移，构建着创造社会财富的新体系，使得所有的经济制度都要建立在“知识基础”之上
，所有的经济行为，都依赖于这一社会性资源的预先存在。不仅如此，它还将带来全新
的生活方式，“这一生活方式是以多样化的再生能源为基础的；是建立在使绝大多数工
厂流水线相形见绌的新的生产方式之上的；是以新的非核心家庭为基础的；是建立在可
称作‘电子小屋’的新颖机构之上的；也是建立在未来彻底改变了的学校和公司之上的
。”（托夫勒语）毫无疑问，随着社会中轴的变化，必然会影响和改变我们现存的行为
准则和思维模式，波及人类社会的各个领域。我们无法拒绝它的到来，当下我们应有的
是：智慧、信心、热诚，迎接新的文明时代的光临。我们邀请了10余位学者就此主题发
表见解，其目的是希望引起大家更广泛的关注。
【 正 文 】
晶体管拉开信息革命的序幕 董光璧
半个世纪前，世界上第一只晶体管在美国贝尔实验室诞生。由于它的工作原理为电
子电路集成化和信息表达数字化提供了物理基础，导致了信息技术的革命，并从此把人
类带进信息社会。所以，在这种意义上我们可以说：晶体管开创了一个新时代。
晶体管发现史
晶体管的发现不是一个孤立的精心设计实验的历史，而是作为一项颇为广泛的半导
体物理研究计划的一个步骤，由一个科学家小组历时大约两年的理论和实验研究才实现
的。
半导体研究史可追溯到1833年英国物理学家法拉第(Michael Faraday,1791-1867)发
现氧化银的电阻率随温度的升高而增加。其后，在还没有半导理论的情况下，同晶体管
有关的半导体的三个物理效应，光电导效应、光生伏打效应、整流效应，也相继发现。
1873年，英国物理学家施密斯(WilloughSmith)发现晶体硒在光照射下电阻变小的半导体
光电现象；1877年英国物理学家亚当斯(W.G.Adams)发现晶体硒和金属接触在光照射下产
生电动势的半导体光生伏打效应，1906年美国物理学家皮尔士(George Washing Pierce
,1872-1956)等人发现金属与硅晶体接触能有整流作用的半导体整流效应。20年代，随着
半导体光生伏打效应和整流效应进入商业利用的发展时期，人们注意到这两种效应只是
半导体的表面效应，而光电导性和电阻的负温度系数则是同半导体材料整体相关的。19
31年，英国物理学家威尔逊(H.A.Wilson,1874-1964)依据固体能带理论，提出一个能把
半导体许多性质彼此联系在一起的半导体导电模型。但这个模型只能较好地说明与体内
有关的半导体行为特征，对表面现象则无能为力。当时人们设想，金属与半导体或半导
体与半导体接触形成一个空间电荷层，它产生一个可阻止电子流动的势垒。1939年，英
国物理学家莫特(Nevill Francis Matt)、苏联物理学家达维道夫（Б．Давидов
）和德国物理学家肖特基(Walter Schottky )应用这种概念各自建立了整流过程理论。
不久，人们就发觉这种整流理论是不适用的，因为它所预言的整流能力与金属的功函数
相关、n型硅与p型硅之间的接触电势差、同一种材料n型和p型接触构成一个良好的整流
等，这些都从未被发现。
正是在这种情况下，贝尔实验室分散研究固体物理的科学家们，在1945年1月被授权
成立了一个正式的固体物理学研究组，由化学家莫尔根(Stanley Morgan)和物理学家肖
克莱(William Schokley)领导。与此同时成立的还有费斯克(James Fisk)领导的电子动
力学组和伍耳瑞奇(Dean Wooldridge)领导的物理电子学组。由于费斯克的建议，1946年
又成立了一个小组，由肖克莱直接领导，其中包括巴丁(John Bardeen)和布拉顿(Wailt
er Houser Brattain)以及其他人。这个新的小组集中于硅和锗的表面研究。
肖克莱提出一个假说，认为半导体表面存在一个与表面上俘获的电荷相等而符号相
反的空间电荷层，使得半导体表面与其内部形成一定的电势差，正是这个电势差的存在
决定着半导体的整流功能，而且利用电场改变这空间电荷层会使表面电流随之而变，从
而产生放大作用。为了直接检验这一假说，布拉顿设计了一个类似光生伏打实验的装置
，测量接触电势差在光照射下的变化。对N型和P型硅以及N型锗的表面光照实验所发生的
信息、知识与社会 来自: 免费论文网www.paper800.com
电势差变化，证实了肖克莱的半导体表面空间电荷层假说及其电场效应的预言。
几天以后，巴丁就提出一个利用场效应作放大器的几何结构设计，把一片P型硅的表
面处理成N型，滴上一滴水使之与表面接触，在水滴中插入一个涂有腊膜的金属针，在水
和硅之间所加的8兆赫频率的电压会改变从硅流到针尖的电流，实现了功率放大。用N型
锗实验效果更好。经若干改进，最终选用的结构是，在锗片表面形成间距约为0.005厘米
的两个触点，分别作发射极和集电极。这种双极点接触结构在10兆赫频率下达到了100倍
的放大。这一天是1947年12月23日。
翌年7月，巴丁和布拉顿以致编辑部信的方式向《物理评论》作了报导，1949年4月
的《物理评论》发表了他们的详细报告。同年，肖克莱又提出以两个P型层中间夹一N型
层作半导体放大结构的设想，1950年肖克莱与斯帕克斯(Morgan Sparks)和迪耳(Gordon
Kidd Teal)一起研制成单晶锗N-P-N结晶体三极管，此后结型晶体管基本上取代了双极
点接触型晶体管。巴丁、布拉顿和肖克莱由于这方面的贡献共同分享了1956年度诺贝尔
论文信息、知识与社会来自
物理学奖。
集成化和数字化信息革命
在晶体管问世之前，作为电子技术主体器件的真空电子管已经发展得比较完善。19
04年英国人弗莱明(John Ambrose Fleming,1948-1955)发明了真空二极管，1906年美国
人德福雷斯特(Lee De Forest,1873-1961)发明了真空三极管，1919年德国人肖特基发明
了真空四极管，1931年荷兰菲利普公司发明真空五极管，1939年美国人瓦里安兄弟（R.
H.V-arian 和S.E.Varian）发明超短波速调管，1940年英国人布特(H.A.H.B-oot)和兰德
尔(J.T.Randall)以及苏联人阿列克谢耶夫（Н．Ф．Алексеев）和马略罗夫（
Д．Е．Мапяров）分别独立发明微波多胺磁控管。并且这些类型的真空电子管
被广泛用于无线电广播、电视、雷达、电子计算机和载波通信等设备，但是难于小型化
，特别是不能集成化，因为它们的工作原理基于在真空中控制电子运动，物理工作区大
于毫米量级。而晶体管的工作原理是基于控制固体内的电子运动，其工作区的微米的量
级，为电子电路集成化提供了物理基础。
晶体管问世以后，1950年美国无线电公司首先制成实验晶体管电视机，1956年美国
电气实验站制成最早的晶体管计算机。在晶体管替代真空电子管走上电子设备小型化的
同时，电子电路集成化的努力也开始了。1952年英国人达默(G.W.A.Dummer)提出集成电
路的设想，1958年美国人基耳比(Clair Kilby)和诺伊斯(Robert Noyce)就各自独立地制
成了最早的集成电路。40年来，集成电路经历了从小规模集成到中规模、大规模、超大
规模，并正在向极大规模挺进。
集成电路的出现打破了电子技术中器件与线路分立的传统，晶体管和电阻、电容等
元件及其连线都做在小小的半导体基片上，开辟了电子元器件与线路一体化的方向，为
电子设备缩小体积、减小能耗、降低成本提供了新途径。
集成电路之所以成为现实，除物理原理外还得助于许多新工艺的发明。其中重大的
工艺发明包括，1950年美国人奥耳(Russel Ohl)和肖克莱发明的离子注入工艺、1956年
美国人富勒(C.S.Fuller)发明的扩散工艺、1960年卢耳(H.H.Loor)和克里斯坦森(H.Chr
istensen)发明的外延生长工艺、1970年斯皮勒(E.Spiller)和卡斯特兰尼(E.Castellan
i)发明的光刻工艺。
这些关键工艺，为晶体管从点接触结构向平面型结构过渡并使其集成化，提供了基
本的技术条件。最初的双极型点接触结构晶体管不可能做得很小，1950年肖克莱等人发
明的平面型晶体管工艺为集成化提供了可能性。这样一个晶体管的面积可以小到数百平
方微米，还可以在这个范围内进行微米级或亚微米级的几何结构图形和杂质分布的精确
设计和加工，使上千万只的晶体管有机地组合在一个小硅片上。
对于双极型晶体管，千万只晶体管集成在一起遇到功耗的困难。每只工作电流0.1毫
安，1千万只就是5千瓦，所散发的热量足以把集成电路烧毁。单极型的金属－氧化物－
半导体(MOS)场效应器件的出现为解决这一难题开辟了道路，因为它是电压控制器件而不
是电流控制器件，输入电流近于零。1958年法国人研制出第一只场效应晶体管，当年美
信息、知识与社会 来自: 免费论文网www.paper800.com
|
|
|
|
|
|
|
