附录1 1956年诺贝尔物理奖——晶体管的发明经过new

附录1 1956年诺贝尔物理奖——晶体管的发明经过

及电力电子器件的发展

在20世纪40年代末，二次世界大战已经结束。在战争中发挥巨大作用的真空电子管功耗大、体积大、寿命短、使用不便、易震碎、较昂贵等许多缺点促使人们研究固体电子器件。当时已经有一个叫J.Lillienfeild的人,提出过一个固体器件构想：在一块半导体（Semiconductor）上做一层绝缘二氧化硅层（Oxide）,再在其上面做一层金属层（Metal），这样就构成了MOS场效应晶体管结构。那么，在金属上相对于半导体（例如高阻p型）加一定的正电压，就可以将半导体中与此电压反极性的少数载流子电子“吸引”至靠近绝缘二氧化硅层的很薄的一层半导体中，在此薄层局部中形成自由电子极为丰富的“电子海”，因而两端接上电极的半导体就导通了。当然，撤除半导体上的“吸引”电压，高阻半导体就因失去“电子海”薄层而关断。该MOS器件构想原理正确，但是许多人在实现时，均不能获得成功。1946年，贝尔实验室（Bell Telephone Lab）的肖克利（W.Schockley,MIT毕业的博士）、巴丁（John Bardeen,普林斯顿大学毕业的博士）和布拉担（W.Brattain）组成一个课题组，研究固体电子器件。他们从上述的MOS场效应器件结构入手研究，分析为什么该结构不能实现器件功能。肖克利把注意力放在金属与半导体势垒的研究上。而巴丁经过思考分析，首次认为：在半导体与绝缘二氧化硅层之间存在带有负电荷的“表面态”杂质离子，是它们抵消了所加的“吸引”正电压作用，因而使得器件难以得到预想的功能。为了研究表面态捕获设想，布拉担和巴丁开始测量半导体锗（Ge）晶体的表面势分布，他们用将锗连接至一参考电极，并用两个金属探针测量。无意中将两个探针靠近时，给其中一个探针注入一点电荷，连在另一个探针上的电流表指针竟有很大的摆动！他们很兴奋。巴丁经过理论估算，认为当两个探针的距离接近至小于1/1000英寸（=25.4μm）时，两个探针与半导体锗形成的金属半导体势垒之间就会有相互作用（interaction）。但是，如此近的距离用徒手操作两个探针是不可能实现的。1947年12月23日，布拉担的出众的实验技能发挥了作用。布拉担在一块三角形聚苯乙烯薄板上用气相淀积的方法，淀积一层金属膜，再用锋利的剃须刀在中间至一角处的金属膜上划开一条细线。此时金属膜被所划的细线分隔开，它们之间的距离小于1/1000英寸。将此三角形聚苯乙烯薄板尖顶处插入较软的半导体锗晶体（N型Ge）的表面，并如图附录1-1所示接上基极、发射极、集电极，人类历史上第一个固态双极晶体三极管就诞生了！当然，它是由两个肖特基势垒构成的点接触双极晶体管。金属膜与半导体锗之间形成肖特基势垒，集电极和发射极相当于P型，半导体锗为N型。因而，可以认为这是个PNP 型的双极晶体管。此晶体管当时放大1000Hz音频信号的电流增益（电流放大倍数）为100，功率增益为40。后来有人用transconductance(跨导)的前缀与varistor（可变电阻）的后缀构成一个新词transistor(晶体管)。

1949年，肖克利在此基础上提出了结型

双极晶体管结构和理论，结型双极晶体管更加

适合于平面工艺的工业化生产，性能更好。

1956年巴丁、布拉担和肖克利因发明晶体管

而获得诺贝尔物理奖。1972年，去伊利诺伊

斯大学当教授的巴丁因超导理论的突破再次

获得诺贝尔物理奖。1955年，肖克利在其家

乡加州旧金山附近的圣克拉拉山谷（即著名的

硅谷—Silicon Valley）创办了肖克利实验室及

肖克利晶体管工厂，1957年变成著名的仙童公司（Fairchild）。在1957~1968年期间，仙童公司开发完善了以扩散、外延、氧化、光刻、金属淀积等半导体器件制造工艺为基础的平面工艺技术，并通过开收费研讨会的形式向其他公司传播。肖克利以及仙童公司的“仙童”们用平面工艺使得晶体管的制造变得容易了。1968年，诺伊斯、莫尔、格罗夫、雷厄尼等8人脱离仙童公司，创办了著名的Intel公司。在1971年，Intel公司推出了第一个CPU芯片Intel4004。另一个公司德州仪器公司（Texas Instrument）从贝尔实验室获得晶体管的基本技术后，用晶体管生产了大量的助听器及收音机。德州仪器公司的基尔比用平面工艺在1955年发明了集成电路（Integrated Circuit），后来也因此获得诺贝尔奖。德州仪器公司现在以数字信号处理器（DSP）及各种集成电路的生产而著名。在1949年肖克利写的关于结型双极晶体管结构和理论的论文中，提到一种“勾型”晶体管的结构。实际上，“勾型”晶体管的结构就是PNPN四层晶闸管结构。1957年，通用电气公司（General Electric）根据此结构研制出第一个300V/25A可控硅SCR（后来叫做晶闸管）。可控硅可以处理较高的电压电流，开辟了以处理能量为目的的电力电子新领域。从此，半导体器件向两个方向发展。一个是信息电子方向，将晶体管越做越小，越做越快。其代表产品就是当今的奔腾P4 CPU及DSP 芯片。另一个是电力电子方向，将晶体管越做越大，越做越快。其代表产品就是当今由西门子公司（现称为Infineon公司）生产的NPT-IGBT。1962年，GE公司研制出第一个600V/200A GTO，克服了普通可控硅不能门极控制关断的缺点。但是GTO一直在技术上不过关，在应用中容易烧毁。1974年，日本东芝等公司采用NTD单晶片并通过计算机模拟技术在GTO 研制上取得突破，生产出1200V/2000A的GTO。而越做越大的双极晶体管采用垂直结构、达林顿级联技术以及多元胞集成并联等技术已经做到500V/200A/50（电流放大倍数h fe），此时已称其为GTR。20世纪70年代末，由于半导体超净技术的进步，长期阻碍MOS器件的“表面态”杂质离子问题也得到控制及解决。这种最早就构想出的器件却因为技术问题而较晚到来，但是它的性能更为优越，也更容易制造。因而，MOS集成电路在20世纪70年代末得到飞速发展。在20世纪80年代初，以MOS集成电路为基础的垂直扩散MOS功率器件VDMOS也在国际整流器公司（International Rectifier）的努力下逐渐走向成熟。1982年GE公司的美籍印度人B.J.Baliga和Motorola公司几乎独自同时发明IGBT。1984年，GE公司的V.A.K.Temple发明性能更为优越的MCT（H），在1991年商品化生产，但在20世纪90年代末因结构过于复杂成品率低而陷于停滞状态。1972年，日本人西泽润一采用JFET 结构研制出了静电感应晶体管及晶闸管SIT、SITH，现已经商品化生产，并应用于装置中。在20世纪90年代初，日本三菱公司研制开发的以IGBT为基础的智能功率模块（IPM——Intelligent Power Module）经过近十年的改进，也已经进入成熟应用。1995年，西门子公司首次推出了非穿通结构（Non Punch Through）的NPT-IGBT，这在技术上是一个里程碑。因为，NPT-IGBT技术可以使得功率开关器件在高温可靠性、安全工作区、超高耐压、低成本、高开关性能等诸多方面同时得到显著提高。采用NPT-IGBT技术及GTO圆片工艺，目前已经可以做出6500V/600A的NPT-IGBT。在20世纪80年代认为要大大发展的功率集成电路（PIC——Power Integrated Circuit）主要包括高压集成电路HVIC和智能功率集成电路（Smart Power IC）有所发展，但发展不快，应用范围也较小。当今，电力电子器件正朝着高可靠、高功率频率积、高集成化、高智能化、低成本化、高允许工作温度的方向发展。

摘自：华伟，周文定. 现代电力电子器件及其应用. 北方交通大学出版社，2002. （参[29]），P.184~186.