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1、半导体发明之路半导体发明之路1 接触产生奇迹接触产生奇迹从原理上来说，世界上第一个无线电通讯半导体器件就是一个点接触二极管。是一个利用金属和半导体相接触，而产生整流效应的器件。两种不同的材料相接触，或者同种材料但进行不同的掺杂后接触在一起时，电性能会有些什么样的变化呢？即使是用一种单一的材料做成器件，使用的也只是晶体的一小块。晶体的各个面都和别的材料，或者空气相接触。而晶体的能带图，是将晶格假设成无穷延伸的周期结构而得出来的结论。所以实际上，能带的结构在靠近固体表面的地方应该有所不同。换言之，对半导体器件来说，表面效应以及不同材料接触后产生的变化，举足轻重，不可忽视，接触能产生奇迹，有很多时候
2、甚至是表面效应决定了器件的特性。固体能带的形成是基于 3 维晶体的周期性，任何切割或加工都是对晶格的周期性和对称性的破坏。这种破坏效应增加了混乱，减少了电子运动的有序性，电子运动的可能状态将会增多，从而也就在原来能带图的基础上增加出许多附加能级。材料切割处的表面势场不再与晶体内部的周期性势场相同了，所以材料表面的电子能级分布会发生变化。从晶体结构看，由于晶格在表面终止，使得表面上的每个硅原子都有了一个未饱和键，它所对应的电子状态就是一类表面能级（达姆能级），如图 1（a）所示。图 1这些表面能级将如何影响半导体的能带呢？下面举切割了的 n 型半导体材料为例来说明这个问题。对图 1b 所示的 n
3、 型半导体来说，电子是多数载流子。上一节中已经说明过了：n 型半导体因为共有的电子更多，而具有更高的费米能级。那些在导带底部悬挂能级中居住的共有电子，虽然高高在上，却也住累了，颇感高处不胜寒。有一天，它们突然高兴地发现，右侧（图 b中的假设）切割出来一个边沿部分，并且盖起了许多更低的小房子（表面能级）。于是，这些电子便争先恐后地搬家，从内部向表面扩散迁移。不知道读者们注意到没有？这次所说的电子搬家和前几节中的搬家有点不同。原来那种搬家的意思是指共有电子在不同的能级上跳来跳去，它们的运动状态改变了，但它们仍然是在整个晶体里到处游荡的自由电子，只不过跑得快点或慢点而已。而刚才一段中，我们说的是表面
4、能级，表面能级只在固体的表面存在，因此，所谓电子占据了表面能级，不仅仅是占据了那个量子态，而且电子还真正地来到了半导体的表面上，它的运动不再如原来那么自由自在，而是被局限在半导体的表面附近！相应的，图 1 所示的能带图中的横轴，也不是通常能带图中显示的波矢 k，而是真实的空间，图中用“晶体外”、“晶体内”来表示空间坐标从切割面向两边的扩展。既然电子是真正地把家搬到了半导体表面，它们的行动便破坏了表面附近电荷的平衡。因为在三维 n 型半导体结构的内部，虽然存在多数载流子（电子），但平均来说，晶体仍然是处处电中性的。现在，部分电子搬到了表面，带正电的原子核却总是被固定在晶格上无法移动。n 型半导体
5、表面有了更多的电子，带上了负电。离表面很近的某一层晶面，则会因缺失电子而带上正电。所以，电子向表面移动后的结果，使得 n 型半导体表面附近产生了一个指向晶体表面的反向电动势。这个反向内电场形成一个势垒，阻止别的电子继续往表面搬家，它的效果使得电子的能带在晶体边沿部分向上弯曲，如图 1b 所示。对 p 型半导体进行类似的分析，便可得出结论：在 p 型半导体的表面附近，电子的能带向下弯曲，如图 1c 所示。一个能带向上弯，一个能带向下弯。那么，如果让图 1b 的 n 型半导体，和图 1c 的 p 型半导体的切割面接触在一起，会产生什么现象呢？首先，它们原来的费米能级不相同。因此，一定会有载流子的输
6、运现象发生。正好 n 型半导体的表面聚集了带负电的电子，p 型半导体的表面聚集了带正电的空穴，接触后它们便复合而消失了。当然，实际情况中，并不是将切割后的两种形态半导体接触在一起，而是在一块晶片的两边掺以不同的杂质而实现的。总之，在达到热平衡状态时，两边的费米能级相等，在拉平费米能级的同时，双方能带的上弯下弯部分连续地结合起来。最后，界面附近的电荷分布以及能带弯曲情况将如图 2a 所示。图 2 pn 结的整流效应平衡时，在界面附近形成一个从 n 型指向 p 型的内电场的薄层。其中两边的多数载流子（电子和空穴）互相扩散而复合，造成在这片区域中只有电场而没有了原来的载流子。人们便说：载流子被耗尽了
7、！因而将此区域叫做耗尽层，也有文献称之为空泛区。包含了这片薄层的半导体结构也就是通常所谓的 pn 结。所以，pn 结说起来也很简单，不过就是半导体的能带发生了突变的一段区间。打个比方，如图 2a，对电子来说，p 型半导体（左）和 n 型半导体（右）就像是两片不同的高地，左边比右边的地势高很多，电子就如同蓝色的海水，费米能级犹如海平面。动态平衡时，大多数电子在地势较低的右边，p 型地区的电子要少一些，耗尽层就是连接高地到低处的斜坡，它阻挡电子由 n 向 p 流动。这时，两边的海平面是完全平坦的，无风无浪，波澜不惊。现在，如果我们将 pn 结的两端接上电源，又会发生什么现象呢？首先假设所接电源的极
8、性是 p 端正 n 端负，如 2b 所示，即所谓的正向偏压。这个电源的电动势方向与 pn 结的内电场方向相反，起着抵消内电场、减少耗尽层的作用。小小的电子有了外加电压撑腰，被阻挡的作用减弱了，不由得猖狂起来，大量地涌入 p 型区域，海平面不再平坦，海上掀起了波浪。费米面变成一边高一边低（n 高 p 低），这是因为有了电源，平衡被打破的象征，也是驱使电子从 n 型不断流向 p 型的动力。所以，在正向偏压下，电子高兴地流过 pn 结，形成电流。反之，如果电源的极性是 p 负 n 正（图 2c），所谓反向偏压的话，电源电压与 pn 结内部阻挡电场的方向一致，其结果是使得耗尽层加宽，斜坡变长变陡，电子
9、比原来还更难跳到 p 型区域中去，只好停留在 n 型半导体中。因此，pn 结在反向偏压下，不能导电。刚才解释了 pn 结（二极管）的单向导电性，也就是整流性。处于反向偏压下的 pn 结，不能导电，只有很小的漏电流。但是，如果将反向偏压加大再加大，又会发生一些奇怪的事情，这时的二极管将会被击穿。图 2d 所示的便是这种情况，与 2c 不同的是，这时候的 p 型半导体的价带顶部，已经超过了 n 型半导体的导带底部，使得 p 型半导体价带内的电子能涌入到 n 型半导体的导带中，形成很大的反向电流，因而称之为击穿，反向击穿的发生一般来说会破坏二极管，但是如果控制得好的话，可以利用它来实现稳压的功能，这
10、是稳压二极管的工作原理。2 三条腿的魔术师三条腿的魔术师当初（1940 年）贝尔实验室的罗素发现两种不同材料因接触而产生整流效应的时候，他还不知道什么“能带论”。是沃尔特布拉顿给予了这种古怪现象正确的物理解释。但实际上，布拉顿是心灵手巧的实验物理学家，从 1929 年开始就一直在贝尔实验室工作。无论如何，pn 结的发现引起贝尔实验室的管理阶层对半导体研究的重视，四处挖掘这方面的人才，后来人称硅谷之父的威廉肖克利便是当他 1936 年在 MIT 作博士后时，被新泽西贝尔实验室副主任凯利挖到那儿工作的。威廉肖克利（William Schockley,1910-1989）是生于伦敦的美国人，三岁时随
11、父母定居加州。肖克利以其非凡眼光和远见卓识，认识到半导体材料的光辉未来，他早在 1939 年就提出“利用半导体而不用真空管的放大器在原则上是可行的”，并积极地开始筹备这方面的研究。不料，大战爆发，贝尔实验室的许多专家们都被征去当兵，威廉肖克利也不例外。不过，他当的是雷达部队的军官，整天与大而笨拙的真空电子管雷达设备打交道，从此更加坚定了他研发半导体器件的决心。当时真空管三极管的主要功能是放大，半导体 pn 结的整流功能已经被证实，如何做成一个类似真空管三极管那样有放大功能的固体器件呢？各国的科学家们也都一直在努力研究这个难题。在 1938 年，两个德国科学家波欧（Robert Pohl）和赫希
12、（RudolfHilsch）用一种盐作为半导体，做出了第一个有实验结果的固体放大器。尽管这个实验器件的工作频率只有 1 赫兹，没有任何实际用途，却增强了肖克利对研发固体三极管的信心。第二次世界大战结束后，贝尔实验室新组了几个团队，肖克利领导了一个包括布拉顿等人在内的半导体物理研究小组。认识到在半导体内移动的既有电子，又有空穴，肖克利脑海中产生一个类似场效应的想法：如果像在真空管三极管中那样，也能在半导体内插入二个电极板的话，就有可能通过控制这二个电极板的电压，来影响半导体内电子与空穴的分布，从而改变电流，达到放大的目的。靠着布拉顿一双灵巧的手，确实将两片平行的金属插进了半导体内，但却非常令人失
13、望，他们没有观察到任何电流被放大的效果。1945 年的十月，巴丁加入到贝尔实验室【1】肖克利小组，和布拉顿坐在一个办公室里，也参与到这个使人困惑的研究课题中。巴丁（John Bardeen,1908-1987）是一个优秀的理论物理学家，普林斯顿大学的数学物理博士。他潜心研究了这个问题，并且发现，电场无法穿越半导体，可能是由于受到金属片屏蔽之故。他进而提出了固体的表面态和表面能级的概念，和布拉顿一起朝这个方向去研究。一年多之后，他们终于做出了第一个晶体管。图 3：点接触晶体管从图 3 中看到，第一个点接触晶体管不是那么漂亮，显得原始而笨拙，但这却是一个划时代的发明。巴丁和布拉顿真可谓珠联璧合，一
14、个是理论天才，一个是实验高手。根据巴丁表面态的理论，不需要像肖克利计划的那样将刀片插进半导体中，而是只需要在晶体的表面下功夫，形成两个位置精确的触点。用半导体做成的第一个器件：猫胡子探测器，不也就是靠着这种点接触的方式而工作的吗？能干的布拉顿反复实验，克服了一个又一个的困难，胜利的曙光似乎就在眼前。1947 年 12 月 16 日，巴丁在他的实验日记上，记下了这个特殊的日子。根据理论的计算，也结合他们多次试验的体会，锗半导体上两根金属丝的接触点靠得越近，就越有可能引起电流的放大。如何才能在晶体表面安置两个大约相距只有 510-3厘米的触点呢？这一天，布拉顿有信心克服这最后一道难关。他找来一块三
15、角形的厚塑料版，从尖尖的顶角朝三角形的两边贴上了一片金箔，又小心仔细地用锋利的刀片在顶角的金箔上划了一道细痕，然后，将三角塑料版用弹簧压紧在掺杂后的半导体锗的表面上。最后，再将一分为二的金箔两边分别接上导线，作为发射极和集电极，再加上金属基底引出的基极，总共三条线，将它们分别接到了适当的电源和线路上。根据巴丁在实验日记中所记，他们当时观察到二个触点间的电压增益为 100 倍的数量级，一个三条腿的魔术师就此诞生了！这个点接触晶体管发明一周之后，12 月 23 日，魔术师演示的第一个魔术是将自己与其它元件装配起来，组成了一个可用于助听器中的声音放大器，由布拉顿和另一位同事演示给贝尔实验室的专家和领
16、导们看，以得到他们的认可。可能也就是这个原因，有许多文章中将晶体管的诞生日定为这一天。恰好是那年圣诞节的前两天，真是名副其实的、献给人类文明的伟大的圣诞节礼物。在场的包括当时贝尔实验室研究部主任 R鲍思及多位专家们。遗憾的是，最愿意亲临现场目睹这个助听器魔术表演的贝尔本人，当时已经去世 25 年之久了。为什么这么说呢？因为贝尔实验室的创办人，亚历山大贝尔（Alexander Graham Bell，1847-1922 年）的母亲和夫人都有听力障碍。贝尔一生的工作：研发电话、创办贝尔实验室等等，都多少与他要发明一个好用的助听器来解决妈妈和老婆听力问题的愿望有关。可是，没有晶体管的发明，贝尔这个愿
17、望是难以实现的，总不能让她们整天吊着一个巨大而又笨重的金属大盒子在耳朵上吧。助听器的魔术表演也许安慰了贝尔的在天之灵，却刺痛了肖克利的凡夫俗子之心。特别当他发现巴丁和布拉顿的专利申请上没有他的名字时，大大地伤害了他的自尊心。要知道，他是这个课题的领导人，并且，制造一个有放大作用的晶体管，这是他 8 年多来日思夜想、魂牵梦绕的结果啊。现在，巴丁和布拉顿用两年时间就做出来了，但那也多少是在他的思想的指导之下，怎么能把他排除在外呢？肖克利想到了他一直在努力研究的半导体的场效应。于是，他立刻努力工作，完善了与场效应有关的理论，打算以此而申请专利，但律师告诉他说，尽管还没有做出实物，但早在 1925 年
18、，朱利叶斯利林菲尔德就在加拿大申请了场效应的专利。所以弄到最后，肖克利的名字没有在与此发明有关的任何专利上。这使肖克利恼羞成怒，与巴丁及布拉顿两人闹翻了，之后甚至利用行政权力，不让两人参与晶体管的任何后续发展工作。当然，肖克利毕竟是科学家，深知科学是来不得半点虚假的。赌气泄愤的小人之举后面，独自一人仍旧在暗暗努力，奋发图强。傲慢自大的肖克利立志要证明，只有他才是发明晶体管的真正大脑。他深入研究半导体中的电子和空穴理论，提出利用少数载流子的工作机制。他认识到点接触晶体管是脆弱的、难以制造的、不适于商业化。几年后，肖克利发明了一种全新的、能稳定工作的“结型晶体管”，这是后来 BJT（双极性结型晶体
19、管）的前身，BJT 应用于模拟电路有它的优势，一直沿用至今。肖克利后来又到加州开创硅谷，支持优生学，等等，演绎出一个多样化的传奇人生。1956 年，肖克利、巴丁和布拉顿共同获得诺贝尔物理奖。对此，巴丁和布拉顿有些不甘心，但如今从历史角度看待肖克利对半导体领域的贡献，也仍然可算是实至名归了。3 魔术师魔术师的法力的法力第一只晶体管的发明具有划时代的历史意义，但其工作原理与现在普遍适用的晶体管却有很大的不同。现在书上讲得晶体管主要是由肖克利发明的“双极结型晶体管”和“单极型场效应晶体管”，而第一只晶体管主要是依据固体表面态理论工作的。图 4 所示给出了器结构和工作原理的简图。当发射极电压高于基极电
20、压时，PN 结正向偏置，N 区内的多数载流子（自由电子）扩撒进入 P 区，由于 P 区很薄，发射极与上表面为点接触，电流通道很窄，使自由电子在上表面接触点附近聚集。当自由电子充满窄缝时，集电极和发射极之间便形成导电通路，此时，若在 C、E 之间加电压，便会形成集电极电流。参考资料：Oral History Transcript JohnBardeen，December 22,1977http:/www.aip.org/history/ohilist/4146_4.htmlCrystalFIre by Michael Riordan and Lillian Hoddeson(W.W.Norton and Co.,1997).http:/www.chiphistory.org/exhibits/ex_john_bardeen_transitor_physics/john_bardeen_section2.pdfWilliamShockley.IEEE Global History Network.IEEE.Retrieved 18 July 2011.注：本文根据北京大学张海霞教授提供资料略作整理而成。C 集电极E 发射极P 型锗N 型锗B 基极图 4 第一个晶体管导电原理表面电荷金属底座