一直到1948年貝爾實(shí)驗(yàn)室宣布發(fā)明晶體管的20多年后，硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET或MOS晶體管)才成為重要的商業(yè)產(chǎn)品。而MOSFET的基本概念——在半導(dǎo)體三極管結(jié)構(gòu)中通過(guò)橫向電場(chǎng)對(duì)導(dǎo)電性進(jìn)行調(diào)控，首次出現(xiàn)是在1928年的一件專利申請(qǐng)中，并在1948年被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。然而，由于表面問(wèn)題，早期的器件并不實(shí)用。盡管這些問(wèn)題在1958年在貝爾實(shí)驗(yàn)室得到了解決，但貝爾實(shí)驗(yàn)室仍然致力于早期的結(jié)型晶體管技術(shù)。開(kāi)發(fā)“其他類型的晶體管”首先是在其他地方進(jìn)行的。最終，是計(jì)算機(jī)和集成電路的需求所創(chuàng)造機(jī)會(huì)，致使硅MOSFET成為數(shù)字電子技術(shù)的基本元件。

“昨天貝爾電話實(shí)驗(yàn)室首次展示了被稱為晶體管的器件，該器件在通常使用真空管的無(wú)線電領(lǐng)域有若干應(yīng)用...展示了一個(gè)不包含任何傳統(tǒng)電子管的收音機(jī)，其中...”(紐約時(shí)報(bào)，1948年7月1日)

真空管收音機(jī)因?yàn)橐粋€(gè)新的器件(即所謂的點(diǎn)接觸晶體管)的出現(xiàn)，而退出舞臺(tái)并不令人驚訝。畢竟，在沃爾特·布拉頓(Walter Brattain)和約翰·巴丁(John Bardeen)于1947年12月23日作出這一發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，點(diǎn)接觸晶體管是當(dāng)時(shí)領(lǐng)先的電子技術(shù)。布拉頓和巴丁是威廉·肖克利(William Shockley)為首的研究小組成員，他們?cè)谛聺晌髦菽锷降呢悹栯娫拰?shí)驗(yàn)室從事固體電學(xué)性能的研究，主要工作是研發(fā)取代電話交換系統(tǒng)中機(jī)械繼電器的技術(shù)，而真空管被認(rèn)為不適合這種應(yīng)用。

盡管點(diǎn)接觸晶體管從未完全實(shí)用化，但其被發(fā)現(xiàn)的消息激起了一大批旨在創(chuàng)造能控制固體中電荷流動(dòng)的器件研究。1948年初，肖克利獨(dú)立地提出了第二種三端器件，即雙極結(jié)型晶體管(BJT)，基本結(jié)構(gòu)是在一塊半導(dǎo)體中形成兩個(gè)背靠背的二極管。1950年，第一個(gè)BJT被制造出來(lái)，該器件又迅速取代了點(diǎn)接觸晶體管，并開(kāi)啟了晶體管時(shí)代，成為接下來(lái)20年主導(dǎo)的晶體管技術(shù)。1956年，巴丁、布拉頓和肖克利由于他們對(duì)半導(dǎo)體的研究和對(duì)晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

雖然早期晶體管的工作受到真空管的啟發(fā)，但這些器件在工作方式上有很大的不同。正如一篇早期的文章所說(shuō)，“晶體管基本上是一個(gè)控制電流器件。因此，晶體管作為電流放大器工作......另一方面，真空管作為電壓放大器運(yùn)行......”。在早年的在半導(dǎo)體行業(yè)，有許多開(kāi)發(fā)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FETs)的嘗試都沒(méi)有成功，這些器件更接近于真空管。這也是可以理解的，由于在那一代的電子工程師和物理學(xué)家的思想和認(rèn)識(shí)中，真空管占了重要組成部分。在這種情況下，當(dāng)這些場(chǎng)效應(yīng)管不工作時(shí)，半導(dǎo)體表面的問(wèn)題就成了罪魁禍?zhǔn)祝拖袼麄冊(cè)贐JT不工作的時(shí)候那樣。盡管貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員在1958年學(xué)會(huì)了如何處理這些問(wèn)題，但貝爾實(shí)驗(yàn)室當(dāng)時(shí)已經(jīng)致全力于BJTs的開(kāi)發(fā)。在接下來(lái)的五年里，許多其他公司——例如，RCA、仙童半導(dǎo)體和德州儀器，都在研究場(chǎng)效應(yīng)管，并為特殊應(yīng)用場(chǎng)合開(kāi)發(fā)新的器件。然而，只要電子電路是以單個(gè)、分立的晶體管來(lái)組成的，場(chǎng)效應(yīng)管就仍然是半導(dǎo)體器件市場(chǎng)的很小一部分。

第一塊集成電路出現(xiàn)在1958年，它由兩個(gè)連接在一個(gè)芯片上的BJT組成。在這一時(shí)期，數(shù)字計(jì)算機(jī)也正變得越來(lái)越多，而由于BJT更高的可靠性也使得更復(fù)雜的電路成為現(xiàn)實(shí)。將多個(gè)晶體管放在單個(gè)芯片上的想法在計(jì)算應(yīng)用中很有吸引力，在這些應(yīng)用中，通常重復(fù)使用幾個(gè)基本電路單元。第一個(gè)微處理器是由英特爾在1971年發(fā)布的。此時(shí)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器也被以集成電路的形式生產(chǎn)。人們逐步認(rèn)識(shí)到MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)技術(shù)將使集成電路的工藝更加簡(jiǎn)單，而且能將更多的器件集成在一個(gè)芯片上，最終在1970年左右，開(kāi)始應(yīng)用于集成電路。之后不到十年，硅MOSFETs就占據(jù)了主導(dǎo)地位。

場(chǎng)效應(yīng)

絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(IGFET)的基本原理如圖1所示。從最早的商用硅MOSFET到后來(lái)用于集成電路的MOS技術(shù)，IGFET一直是最常見(jiàn)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管類型。它通過(guò)絕緣的柵極產(chǎn)生橫向電場(chǎng)，對(duì)導(dǎo)電半導(dǎo)體溝道中的電流進(jìn)行調(diào)制。

圖1. n溝道增強(qiáng)型IGFET的截面圖

IGFET中的絕緣層類似于真空管中的真空，在適當(dāng)偏壓下的真空管中，控制柵極(grid)沒(méi)有電流，類似于IGFET中的柵極(gate)。在一些早先試圖在半導(dǎo)體中產(chǎn)生放大器的工作中，可以看到明顯模仿真空管的痕跡。早期布拉頓和貝克爾(J. A. Becker)曾試圖通過(guò)在半導(dǎo)體材料中嵌入一個(gè)金屬控制柵極，將氧化銅整流器制成一個(gè)三極管。肖克利和布拉頓在1939年也再次嘗試了真空管三極管。接著他們?cè)谘趸~的表面嘗試了銅板，并在二戰(zhàn)后做了場(chǎng)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。但這些嘗試都沒(méi)有成功。1945年加入貝爾實(shí)驗(yàn)室的巴丁推測(cè)，電荷載流子被半導(dǎo)體和絕緣體之間界面上的懸掛鍵所困住，因此，施加的電場(chǎng)不會(huì)大幅改變體半導(dǎo)體中的載流子數(shù)量。這就好比在半導(dǎo)體的表面有一層高導(dǎo)電性的材料，從而屏蔽了半導(dǎo)體。

巴丁和布拉頓開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)室里研究這些表面現(xiàn)象。在一次試驗(yàn)中(1947年11月21日)，試圖通過(guò)在硅和一滴水之間施加電壓來(lái)調(diào)節(jié)硅塊中的電流。結(jié)果在硅和硅的表面的一個(gè)金屬接觸點(diǎn)之間觀察到了輸出，該接觸點(diǎn)在電解質(zhì)中，但與電解質(zhì)絕緣。在這次實(shí)驗(yàn)中，觀察到了功率和電流的放大，但沒(méi)有電壓的放大。然后轉(zhuǎn)而使用鍺，并在1947年12月8日，獲得了2倍的電壓放大和330倍的功率放大。此外，還嘗試了不同的電解質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)其中的一種引起了鍺表面的氧化。他們推測(cè)，這種意外的氧化膜可能使器件可以獲得更大的電場(chǎng)。還改變了金屬接觸的幾何形狀，并使用金屬點(diǎn)接觸作為電荷的收集電極，與蒸發(fā)在較薄的氧化層上的金作為鍺的控制電極。1947年12月11日，他們發(fā)現(xiàn)氧化層上有一個(gè)洞，實(shí)際上并沒(méi)有絕緣。在測(cè)試這個(gè)有缺陷的器件時(shí)，他們注意到，如果控制電極的極性與通常采用的極性相反(即如果控制電極相對(duì)于半導(dǎo)電體是正向偏壓)，那么包含點(diǎn)接觸的電路中的電流就會(huì)因施加在控制電極上的電壓變化而發(fā)生調(diào)制，這就導(dǎo)致了電荷載流子“注入”到器件中的想法。而在此之前的所有工作都是為了研究場(chǎng)效應(yīng)器件。如前所述，1947年12月23日，在不到兩周的時(shí)間里，一個(gè)使用兩個(gè)緊密間隔的點(diǎn)接觸器件，成功的作為放大器而工作，于是他們?cè)谝粋€(gè)新的方向上出發(fā)了。

盡管在隨后的幾個(gè)月里，這個(gè)新的點(diǎn)接觸器件成為了許多人關(guān)注的中心，但場(chǎng)效應(yīng)的想法并沒(méi)有被完全擱置。事實(shí)上點(diǎn)接觸晶體管專利申請(qǐng)是和另外兩項(xiàng)體現(xiàn)場(chǎng)效應(yīng)概念的專利申請(qǐng)一起進(jìn)行的(如圖2所示)。

圖2.盡管威廉·肖克利(William Shockley)的專利(US Patent No. 2,569,347)是作為雙極結(jié)型晶體管(BJT)的起源而聞名，但該器件其實(shí)是作為專利的圖3出現(xiàn)。專利中的圖1是一個(gè)柵控的p-n結(jié)，一種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，標(biāo)記為“15”的材料是一滴電解液，柵極(16)被浸入其中。根據(jù)該專利，這是“由于電解液和主體表面之間有很大的隔離，該連接為電容性連接”。

盡管威廉·肖克利(William Shockley)的專利(US Patent No. 2,569,347)是作為雙極結(jié)型晶體管(BJT)的起源而聞名，但該器件其實(shí)是作為專利的圖3出現(xiàn)。專利中的圖1是一個(gè)柵控的p-n結(jié)，一種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，標(biāo)記為“15”的材料是一滴電解液，柵極(16)被浸入其中。根據(jù)該專利，這是“由于電解液和主體表面之間有很大的隔離，該連接為電容性連接”。

此外，1952年，肖克利和他的同事們還提出并實(shí)驗(yàn)了另一種不涉及絕緣柵而產(chǎn)生場(chǎng)效應(yīng)的方法，但這種結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)并沒(méi)有取得很大的進(jìn)展——至少在貝爾實(shí)驗(yàn)室。1955年，貝爾實(shí)驗(yàn)室決定集中精力研究硅雙極結(jié)型晶體管。

先驅(qū)者

1964年，朱利葉斯·埃德加·利林菲爾德(Julius Edgar Lilienfeld)的名字出現(xiàn)在了一位名叫做維吉爾·博頓(Virgil Bottom)的物理學(xué)家發(fā)表在《今日物理》(Physics Today)上的文章中。他看到了利林菲爾德的訃告，并回憶起曾看過(guò)三個(gè)帶有利林菲爾德名字的固態(tài)器件專利。

在博頓簡(jiǎn)短的文章中提到，請(qǐng)注意這些專利，并詢問(wèn)利林菲爾德是否是晶體管效應(yīng)的真正發(fā)現(xiàn)者。

接著一個(gè)剛從貝爾實(shí)驗(yàn)室退休的著名物理學(xué)家約翰遜(J. B. Johnson，約翰遜噪聲，也稱作熱噪聲的冠名者)的快速回應(yīng)，讓這件事平息了下來(lái)。在他的回應(yīng)中，他對(duì)利林菲爾德的固態(tài)器件表示懷疑，并說(shuō)：“......有一次，我試圖認(rèn)真地按照利林菲爾德的規(guī)格再現(xiàn)他的結(jié)構(gòu)，但觀察不到任何放大甚至調(diào)制現(xiàn)象”。約翰遜的回應(yīng)中也提到了肖克利的結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管JFET。

圖3.利林菲爾德(Lilienfeld)的專利(US Patent No. 1,900,018)，重新添加了字母S、G和D，對(duì)應(yīng)于現(xiàn)代場(chǎng)效應(yīng)晶體管的名稱——源極、柵極和漏極。柵極材料(10)是鋁。它和p型半導(dǎo)體Cu2S(12)之間被的一層薄薄的氧化鋁(11)所絕緣。半導(dǎo)體Cu2S層在13處“凹陷”并具有“分子厚度”，此處發(fā)生了電導(dǎo)率的調(diào)制。源極和漏極觸點(diǎn)(14和15)是導(dǎo)體。半導(dǎo)體主體、源極和漏極的接觸是真空蒸發(fā)制備的。與圖1所示的硅MOSFET不同，這種耗盡類型的MOSFET在漏極和源極都不存在二極管結(jié)。

利林菲爾德(Lilienfeld)的專利(US Patent No. 1,900,018)，重新添加了字母S、G和D，對(duì)應(yīng)于現(xiàn)代場(chǎng)效應(yīng)晶體管的名稱——源極、柵極和漏極。柵極材料(10)是鋁。它和p型半導(dǎo)體Cu2S(12)之間被的一層薄薄的氧化鋁(11)所絕緣。半導(dǎo)體Cu2S層在13處“凹陷”并具有“分子厚度”，此處發(fā)生了電導(dǎo)率的調(diào)制。源極和漏極觸點(diǎn)(14和15)是導(dǎo)體。半導(dǎo)體主體、源極和漏極的接觸是真空蒸發(fā)制備的。與圖1所示的硅MOSFET不同，這種耗盡類型的MOSFET在漏極和源極都不存在二極管結(jié)。

1991年，布雷特·克勞福德(Bret Crawford)在他的物理學(xué)碩士論文中報(bào)告了對(duì)利林菲爾德的專利(US Patent No. 1,900,018)的重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用是1928年提交專利申請(qǐng)時(shí)已有的技術(shù)，同時(shí)也表明利林菲爾德申請(qǐng)專利時(shí)也知道這些技術(shù)。該器件的基本原理如圖3所示。按照專利中的描述，他制造出了可工作器件，但它們不穩(wěn)定，并且結(jié)果難以重現(xiàn)。這并不奇怪，因?yàn)榘雽?dǎo)體硫化亞銅無(wú)法與現(xiàn)代單晶硅相比。克勞福德還發(fā)現(xiàn)了專利中描述的現(xiàn)象與他自己的觀察之間存在著密切的一致性，這些跡象表明利林菲爾德實(shí)際上已經(jīng)制造了他的專利器件，而不僅僅是想到了它。

1995年，喬爾·羅斯(Joel Ross)重復(fù)了利林菲爾德的專利。他能夠制備出在幾個(gè)月內(nèi)保持穩(wěn)定的器件。盡管這些器件顯示出了場(chǎng)效應(yīng)，但其跨導(dǎo)很差，這顯然是表面態(tài)造成的。但是，器件的功率增益現(xiàn)象十分明顯。

大約在這個(gè)時(shí)候，羅伯特·喬治·阿恩斯(Robert George Arns)教授正在檢查令貝爾實(shí)驗(yàn)室獲得兩項(xiàng)“諾貝爾獎(jiǎng)”的專利申請(qǐng)的法律文件，以尋找出早期出版物和專利可能在貝爾實(shí)驗(yàn)室的專利中發(fā)揮作用的證據(jù)。阿恩斯發(fā)現(xiàn)，利林菲爾德的專利在這些文獻(xiàn)中被廣泛的提及。巴丁和布拉頓的點(diǎn)接觸晶體管專利申請(qǐng)中有69項(xiàng)權(quán)利要求，只有19項(xiàng)被允許。其中，有36項(xiàng)涉及晶體管基本思想的權(quán)利要求被直接否決，理由是它們是早期專利中的已有權(quán)利要求，特別是利林菲爾德的專利。而肖克利的BJT專利提交時(shí)有62項(xiàng)權(quán)利要求，只有34項(xiàng)被批準(zhǔn)。在這兩項(xiàng)專利中，總共有65項(xiàng)權(quán)利要求被放棄或不被允許，而不允許權(quán)利要求的最常見(jiàn)理由是該要求為利林菲爾德專利的現(xiàn)有技術(shù)。

在巴丁和布拉頓的點(diǎn)接觸晶體管專利的文件中，還有一份由貝爾實(shí)驗(yàn)室提交的聲明，試圖弱化利林菲爾德的專利要求。在這份24頁(yè)的法律聲明中，作者約翰遜(同上)報(bào)告說(shuō)，他曾領(lǐng)導(dǎo)過(guò)一個(gè)小組，被指派去嘗試三個(gè)利林菲爾德專利中描述的器件。他在1949年9月21日的聲明中，首先描述了利林菲爾德的專利(US Patent No. 1,900,018)，即那份后來(lái)由布雷特·克勞福德和喬爾·羅斯分別獨(dú)立重復(fù)的工作。它的內(nèi)容如下

“...我著手調(diào)查的第一個(gè)(利林菲爾德)專利是......No.1,900,018...在我被指派之前......實(shí)驗(yàn)室的另外兩名成員，即威廉·肖克利和杰瑞德·皮爾遜(杰瑞德.L.皮爾遜)，已經(jīng)調(diào)查了其中一種結(jié)構(gòu)的性能，這種結(jié)構(gòu)在大部分細(xì)節(jié)上都是一樣的，除了一個(gè)，即絕緣層不是氧化鋁，而是石英......。肖克利和皮爾遜在1948年7月15日的《物理評(píng)論》(Physical Review)上報(bào)告了這一結(jié)果......。......雖然11%的調(diào)制指數(shù)并不高，......但有用的輸出功率很大......原則上可以作為一個(gè)放大器使用。”

聲明的其余部分專門介紹了約翰遜關(guān)于他重復(fù)其他兩項(xiàng)專利不成功嘗試的報(bào)告。最終，肖克利和皮爾遜的場(chǎng)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在了《物理評(píng)論》(Physical Review)上，與宣布點(diǎn)接觸晶體管的巴丁和布拉頓的論文相鄰。

利林菲爾德曾在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了許多文章，主題包括熱離子發(fā)射、X射線、場(chǎng)發(fā)射、過(guò)渡輻射和電解電容的電化學(xué)。但從未寫(xiě)過(guò)一篇關(guān)于晶體管的文章，唯一提到晶體管的科學(xué)基礎(chǔ)是在他申請(qǐng)的一項(xiàng)專利的文件中發(fā)現(xiàn)的。在文件中，他引用了1915年湯姆遜(J. J. Thomson)提出的一個(gè)理論，認(rèn)為半導(dǎo)體是由準(zhǔn)分子單元組成的晶格，其中每個(gè)單元的正電荷中心與負(fù)電荷中心分開(kāi)。湯姆森推測(cè)外加的電場(chǎng)傾向于使分子重新排列并改變其電導(dǎo)率。事實(shí)上，一直到1931年才出現(xiàn)了基于量子力學(xué)對(duì)金屬和半導(dǎo)體的導(dǎo)電性的理解，這在利林菲爾德提交了他的專利申請(qǐng)之后。因此，他在1925-1928年工作期間，不可能使用諸如：“p型”、“空穴”、“費(fèi)米能級(jí)”或“能帶”這樣的術(shù)語(yǔ)。

1935年，柏林大學(xué)的奧斯卡·埃爾(Oskar Heil)提交了一份英國(guó)專利申請(qǐng)，其中包含了對(duì)絕緣柵FET的首次描述，暗示了新的半導(dǎo)體理論。其基本方案如圖4所示。專利中對(duì)p型和n型半導(dǎo)體導(dǎo)電薄膜都有描述。在巴丁、布拉頓和肖克利的專利申請(qǐng)中，與埃爾專利相關(guān)的權(quán)力要求也被駁回。但在這些貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家所發(fā)表的科學(xué)、技術(shù)和歷史的論文中也從未提及利林菲爾德或埃爾先前的工作。

圖4.來(lái)自?shī)W斯卡·埃爾(Oskar Heil)的專利(British Patent No. 439,457.)插圖。半導(dǎo)體薄膜(3)的兩端被導(dǎo)電線(1和2)覆蓋，作為源極和漏極。柵極是一個(gè)與半導(dǎo)體薄膜重疊的導(dǎo)電薄膜(6)，但通過(guò)絕緣材料(8)與之隔開(kāi)。

來(lái)自?shī)W斯卡·埃爾(Oskar Heil)的專利(British Patent No. 439,457.)插圖。半導(dǎo)體薄膜(3)的兩端被導(dǎo)電線(1和2)覆蓋，作為源極和漏極。柵極是一個(gè)與半導(dǎo)體薄膜重疊的導(dǎo)電薄膜(6)，但通過(guò)絕緣材料(8)與之隔開(kāi)。

場(chǎng)效應(yīng)的回歸

如上所述，1955年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)重點(diǎn)已經(jīng)變成了硅BJT，盡管由于界面在半導(dǎo)體體內(nèi)，BJT繞過(guò)了半導(dǎo)體表面這一最糟糕的問(wèn)題，但結(jié)晶體管還存在其他表面問(wèn)題。表面影響了器件漏電電流和可靠性等特性，表面問(wèn)題也是器件失效的一個(gè)常見(jiàn)原因。1956年，馬丁·阿塔拉(Mohamed M. Atalla)被任命為一個(gè)小組的組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)研究表面問(wèn)題。最終，他的工作重點(diǎn)集中在了硅表面的氧化上，將其作為解決表面問(wèn)題的一種手段。他在1958年的一次會(huì)議上介紹了他關(guān)于熱生長(zhǎng)二氧化硅的工作，并受到了熱烈的歡迎。

在這項(xiàng)工作的過(guò)程中，阿塔拉提出了一種新的半導(dǎo)體器件，現(xiàn)在被稱為硅MOSFET，這是一個(gè)與圖1中描述的非常相似的p溝道器件。阿塔拉小組的成員圣虎達(dá)溫·卡恩(Dawon Kahng)制備了一個(gè)這樣的器件，并在1960年的固態(tài)器件研究會(huì)議上報(bào)告了它。然而，他們卻并沒(méi)有被鼓勵(lì)發(fā)表這項(xiàng)工作，唯一的書(shū)面記錄是貝爾公司的內(nèi)部備忘錄，用以存檔。而且在備忘錄完成之前，卡恩和阿塔拉都已被分配到了其他工作。

1960年，仙童半導(dǎo)體公司的赫爾尼(Jean Hoerni，也是著名的“八叛逆”之一)報(bào)告了(阿塔拉等人)在商業(yè)產(chǎn)品中首次使用了硅表面鈍化技術(shù)。這是對(duì)雙極結(jié)型晶體管(區(qū)別于場(chǎng)效應(yīng)晶體管)制造工藝的改進(jìn)，并稱之為平面工藝。而貝爾公司直到1966年才開(kāi)始使用MOS技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。

與此同時(shí)，許多其他的公司也在繼續(xù)嘗試場(chǎng)效應(yīng)器件。例如，在1961年，保羅·魏瑪(Paul Weimer)和他在RCA的同事開(kāi)發(fā)了一種IGFET，利用薄膜技術(shù)，多晶的硫化鎘(CdS)作為半導(dǎo)體層，蒸發(fā)的一氧化硅或氟化鈣層作為絕緣體，這些器件對(duì)表面的問(wèn)題并不敏感，但是CdS遠(yuǎn)不是一個(gè)理想的半導(dǎo)體。這些嘗試都沒(méi)有取得商業(yè)上的成功。然而，一年后，同樣來(lái)自RCA的奧夫斯坦(Hofstein)和海曼(Heiman)發(fā)表了一份關(guān)于硅MOSFET的研究，相比之下，該研究具有更大的前景。

仙童公司的工作對(duì)后來(lái)MOSFET技術(shù)的發(fā)展極其重要。如上所述，1960年在仙童誕生的平面擴(kuò)散工藝至今仍然是制造半導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)工藝。1963年，仙童公司的萬(wàn)拉斯(Wanlass)和薩赫(Sah)首次報(bào)道了CMOS(互補(bǔ)MOS)概念，這對(duì)減少M(fèi)OS晶體管的功耗極為重要。1964年底，仙童公司和RCA宣布了第一個(gè)商業(yè)分立MOS晶體管;二者都使用硅。然而，分立MOS晶體管的市場(chǎng)相對(duì)較小，并局限于有限的應(yīng)用類別。在大多數(shù)應(yīng)用中，它們的性能不如相對(duì)成熟的BJT。

如果不是因?yàn)橛?jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，MOSFET技術(shù)不可能達(dá)到目前的重要性。除此之外，它重要的意義也取決于集成電路的發(fā)展，事實(shí)上，當(dāng)人們認(rèn)識(shí)到小型化的需要和潛力時(shí)，集成電路的概念就已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)了。例如，1952年英國(guó)皇家雷達(dá)研究所的達(dá)默(G.W.A.Dummer)用“沒(méi)有連接線的塊狀固體電子設(shè)備”來(lái)描述分立晶體管的下一代技術(shù)。“該設(shè)備可能由絕緣、導(dǎo)電、整流和放大的材料層組成，通過(guò)去除各層的不同區(qū)域直接連接實(shí)現(xiàn)電氣功能。”但是英國(guó)政府未能支持他的工作，而與這相關(guān)的Plessey公司，也被廣泛地認(rèn)為是錯(cuò)過(guò)了一個(gè)機(jī)會(huì)(該公司幾經(jīng)收購(gòu)、重組，目前也是MicroLED行業(yè)AR屏幕的重要廠商)。1958年9月，德州儀器公司的杰克·基爾比(Jack Kilby)將一個(gè)簡(jiǎn)單的(觸發(fā)器)電路放在一個(gè)鍺的單片上，并使用金線作為兩個(gè)晶體管之間的連接。其實(shí)這一步也不是答案，今天稱之為集成電路的東西仍然等待著其他的發(fā)展，包括硅的表面鈍化與平面工藝。在基比爾的工作后不久，羅伯特-諾伊斯(Robert Norton Noyce)展示了后來(lái)被稱為“單片”的集成電路技術(shù)(與基爾比的“混合”技術(shù)相區(qū)別)，該技術(shù)將硅擴(kuò)散雙極結(jié)型晶體管和電阻放在單個(gè)硅芯片上，并通過(guò)使用光刻技術(shù)生產(chǎn)的鋁線將它們互連。

這些早期的集成電路概念出現(xiàn)在固態(tài)器件使數(shù)字計(jì)算機(jī)更加可靠實(shí)惠和蓬勃發(fā)展的時(shí)期。而正是在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器和微型處理器方面的應(yīng)用，最終確保了硅MOSFET今天所享有的重要地位。

早期計(jì)算機(jī)的鐵氧體磁芯動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器首先受到了來(lái)自使用雙極晶體管和存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)的單片集成電路的挑戰(zhàn)。1966年1月宣布的IBM System 360，Model 91型計(jì)算機(jī)，其特點(diǎn)就是芯片具有16位的存儲(chǔ)器陣列，每個(gè)位有五個(gè)雙極晶體管。1970年，IBM System 370，Model 145型計(jì)算機(jī)包含128位雙極動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)芯片。第一個(gè)商業(yè)MOS DRAM也是由英特爾在1970年宣布的。它的特點(diǎn)在一個(gè)芯片上集成了1024位的三晶體管單元。

MOS技術(shù)有兩個(gè)公認(rèn)的優(yōu)勢(shì)，使其在這個(gè)時(shí)候脫穎而出。首先，與雙極結(jié)型晶體管技術(shù)相比，MOS技術(shù)需要更少的工藝步驟;這就意味著成本更低，良率更高。第二，雙極結(jié)型晶體管不能在不損害其工作特性的情況下縮小尺寸，但MOSFET可以。事實(shí)上，為了使MOSFET在技術(shù)上具有競(jìng)爭(zhēng)力，必須將其尺寸縮小很多倍，以降低操作電壓;更大規(guī)模的集成，以減少封裝電容，從而減小信號(hào)延遲。縮小MOSFET的尺寸不僅提高了速度，還減少了每個(gè)晶體管的功率損耗。同時(shí)，微縮也提供了計(jì)算機(jī)應(yīng)用所需要的東西，即在單位面積上以較小的成本獲得更多的器件和操作。

計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵一步是1967年羅伯特·丹納德(R.H. Dennard)在IBM約克鎮(zhèn)高地研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的MOSFET單晶體管電容存儲(chǔ)器單元。有了這一步，MOS技術(shù)不但提供了更低的功率損耗和更少的工藝步驟，而且每塊芯片的比特密度也大大增加。如上所述，到1970年，英特爾開(kāi)始生產(chǎn)基于每比特三個(gè)晶體管結(jié)構(gòu)的單芯片MOS集成電路存儲(chǔ)器。到1973年初，一些制造商報(bào)道和/或銷售了4096位的MOS單晶體管單元DRAM。到1985年，每片1,000,000比特已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)。如今，單晶體管的DRAM單元現(xiàn)在是地球上最豐富的人造物。

1971年，英特爾宣布了第一個(gè)微處理器，即4004，在當(dāng)時(shí)被稱為“芯片上的微型可編程計(jì)算機(jī)”。這種MOS處理器，包含大約2300個(gè)晶體管。1990年，英特爾80486微處理器芯片載有100萬(wàn)個(gè)器件。MOS技術(shù)的發(fā)展也是其增長(zhǎng)的關(guān)鍵。

MOSFET的漫長(zhǎng)等待

這篇簡(jiǎn)述介紹了MOSFET從利林菲爾德1928年的專利申請(qǐng)起，40多年的發(fā)展歷史中的一些節(jié)點(diǎn)，圍繞該技術(shù)的發(fā)展也產(chǎn)生了許多有趣的問(wèn)題。

例如，為什么固態(tài)場(chǎng)效應(yīng)器件在1930年代沒(méi)有得到更多的關(guān)注?在這個(gè)問(wèn)題上，利林菲爾德的經(jīng)歷很有啟發(fā)。利林菲爾德的第一份美國(guó)晶體管專利申請(qǐng)是在1926年提交的，在他辭去萊比錫大學(xué)的職務(wù)后不到兩周。另外兩項(xiàng)申請(qǐng)是在1928年提交的，當(dāng)時(shí)他剛開(kāi)始為馬薩諸塞州的一家無(wú)線電電子元件制造商Arnrad公司工作。在那里，他對(duì)電解電容的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。1930年，Magnavox收購(gòu)了Amrad公司，并建立了一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體，稱為Ergon研究所，由利林菲爾德領(lǐng)導(dǎo)，他在那里繼續(xù)研究電容器技術(shù)，一直到1935年Ergon關(guān)閉。

從記錄中可以看出，利林菲爾德?lián)碛芯w管專利。Arnrad和Magnavox本來(lái)是這些專利的自然客戶。但利林菲爾德顯然沒(méi)有成功地讓他們或其他人對(duì)這些器件感興趣。缺乏興趣的原因似乎也是合理的。首先，當(dāng)時(shí)正值大蕭條時(shí)期，很少有資本投資于長(zhǎng)期研究和開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。第二，當(dāng)時(shí)占主導(dǎo)地位的電子技術(shù)是無(wú)線電，真空管非常適合此類應(yīng)用。第三，收音機(jī)和汽車是社會(huì)成就的兩個(gè)重要標(biāo)志，收音機(jī)在房間里，汽車在房間外。這一時(shí)期的收音機(jī)是作為家居用品出現(xiàn)的，是“現(xiàn)代”家庭聚集的“電子爐灶”。這些收音機(jī)被安裝在精致的家具柜里。廣告中將收音機(jī)中的真空管數(shù)量作為質(zhì)量的指標(biāo)，數(shù)量越多越好，更小的元件雖然使用更少的功率，但表明質(zhì)量越差(有點(diǎn)像八九十年代人們用輕重來(lái)判斷手機(jī)質(zhì)量)。二十世紀(jì)三十年代文化上的這些特點(diǎn)與二戰(zhàn)后的情況形成了鮮明的對(duì)比，戰(zhàn)時(shí)無(wú)線電、雷達(dá)和電子控制武器的發(fā)展，顯示了可靠性的重要性，隨著電子產(chǎn)品變得更加復(fù)雜，尺寸變得更大，特別是當(dāng)電子系統(tǒng)要被投入飛機(jī)使用時(shí)，這些都迫切需要減少功耗需求。

其次，為什么貝爾實(shí)驗(yàn)室的人員不承認(rèn)利連費(fèi)爾德和埃爾等人的早期工作?貝爾公司關(guān)于晶體管的出版物中沒(méi)有一篇提到他們的工作，甚至1948年肖克利和皮爾遜通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明場(chǎng)效應(yīng)的論文里也沒(méi)有。我們還將約翰遜在1964年對(duì)維吉爾·博頓的公開(kāi)回應(yīng)與他在1949年為支持專利訴訟而提交的聲明進(jìn)行比較。1964年的聲明中并沒(méi)有提到肖克利和皮爾森1948年對(duì)利連費(fèi)爾德專利(US Patent No. 1,900,018)的確認(rèn)，似乎是在有意誤導(dǎo)。貝爾公司官方工作歷史記錄中只是在一個(gè)腳注的尾注中提到了利連費(fèi)爾德和埃爾的專利。該腳注談到了“可追溯到20世紀(jì)20年代”的早期專利，并指出“顯然所有實(shí)現(xiàn)這些概念的嘗試都是徒勞的”。1988年，巴丁終于承認(rèn)，“他(利連費(fèi)爾德)有控制半導(dǎo)體中的電流流動(dòng)以制造放大裝置的基本概念”。似乎有可能肖克利等人曾由于表面問(wèn)題而放棄了MOSFET的想法;否則，在1949年約翰遜的聲明中就不會(huì)那么容易地承認(rèn)肖克利和皮爾遜的實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)于利連費(fèi)爾德的專利。另外，他們很可能在自己的出版物和言論中保持沉默和/或略過(guò)，以支持他們的專利申請(qǐng)，并盡量減少已有的專利對(duì)其優(yōu)先權(quán)構(gòu)成的挑戰(zhàn)。

在1960年，當(dāng)阿塔拉和卡恩在公司內(nèi)部研發(fā)時(shí)，貝爾公司第二次沒(méi)有認(rèn)識(shí)到硅MOSFET的價(jià)值。這可能有幾個(gè)原因。首先，到1955年(五年前)貝爾公司已經(jīng)對(duì)肖克利的雙極結(jié)晶體管技術(shù)做出了強(qiáng)有力的支持承諾。1960年的MOS技術(shù)并不如1960年的結(jié)型晶體管技術(shù)——卡恩和阿塔拉的第一個(gè)MOS器件比最好的結(jié)型器件慢100倍，而且，雖然半導(dǎo)體表面對(duì)結(jié)型晶體管來(lái)說(shuō)是二階效應(yīng)，但對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)說(shuō)，它們?nèi)匀皇且浑A效應(yīng)，因此MOSFET將需要很長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。第二，貝爾公司的其他研究人員在1960年的同一次會(huì)議上宣布了另一項(xiàng)重要的創(chuàng)新，即外延晶體管，它預(yù)期在結(jié)型晶體管技術(shù)方面會(huì)有重大改進(jìn)。第三，貝爾公司的業(yè)務(wù)不是制造器件來(lái)銷售，貝爾集團(tuán)的發(fā)展體現(xiàn)在長(zhǎng)期的資本投資方面，這有利于技術(shù)的穩(wěn)定，而不是持續(xù)的創(chuàng)新。

剛過(guò)了50歲生日(本文寫(xiě)于1998年)的點(diǎn)接觸晶體管，只是一個(gè)彎路。約翰·巴丁在一次采訪中如是說(shuō)：“他與布拉頓發(fā)現(xiàn)的點(diǎn)接觸晶體管可能減緩了晶體管領(lǐng)域的發(fā)展，因?yàn)樗鼘雽?dǎo)體項(xiàng)目從結(jié)型和場(chǎng)效應(yīng)晶體管中轉(zhuǎn)移出來(lái)，而這些晶體管后來(lái)證明在商業(yè)上更有用......。(如果氧化層像(1947年12月的那一天)預(yù)期的那樣是絕緣的，那么第一個(gè)成功的晶體管將是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)而不是一個(gè)點(diǎn)接觸器件......”。

而慶祝另一個(gè)晶體管的生日，即MOSFET的周年紀(jì)念日將更加困難。這個(gè)概念(場(chǎng)效應(yīng))出現(xiàn)的太早，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于利用現(xiàn)有的技術(shù)以商業(yè)形式將之實(shí)現(xiàn)之前。篳路藍(lán)縷，最終，現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)的需求以及MOS技術(shù)為計(jì)算應(yīng)用帶來(lái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，確保了MOSFET在技術(shù)歷史中的地位，也為一路發(fā)展過(guò)程中的不懈努力提供了有說(shuō)服力的動(dòng)機(jī)。

審核編輯：湯梓紅