半導體的27個關鍵：電晶體、CMOS、TFT，突破性的創新科技

蕭克萊（William Bradford Shockley，1910-1989）， 美國物理學家。1945 年下半年，貝爾電話實驗室成立了以蕭克萊為組長，蕭克萊、巴丁（John Bardeen,1908-1991）、布拉頓（Walter Houser Brattain,1902-）為核心的固體物理學研究小組（見圖1-2）。該小組於1947 年12 月發明點接觸電晶體，1948 年6 月貝爾電話實驗室報導了這一發明，並申請專利。1949 年蕭克萊提出結型電晶體理論，1950 年由貝爾電話實驗室M. 斯帕克斯（M. Sparks）和G.L. 皮爾遜（G.L Pearson）製造出結型電晶體。1956 年蕭克萊、巴丁、布拉頓共同獲得諾貝爾物理學獎。

這裏我們特別介紹一下布拉頓（見圖1-3），他的父親羅斯和母親奧蒂莉畢業於美國華盛頓的惠特曼學院。他們剛結婚後就來到了中國廈門，羅斯得到一份在中國學校教授科學和數學的工作，布拉頓在1902 年2 月10 日生於廈門。布拉頓一家人在中國居住了一段時間後，1903 年，布拉頓和家人回到了華盛頓。

蕭克萊於1910 年2 月13 日生於英國倫敦。其父母都是美國人，父親畢業於美國麻省理工學院，曾以採礦工程師等身份在包括中國在內的多個國家工作過，後被派駐英國。讀中學期間，蕭克萊深受其父親的好友──史丹佛大學物理系教授、X 射線領域專家羅斯（P．Ross）的影響，並被其收為義子。1932 年，蕭克萊在加州理工學院物理系獲得學士學位； 此後，他轉入麻省理工學院主攻固體物理學，並於1936年獲得博士學位； 1936 年6 月，他接受貝爾基礎研究部主任凱利（M．J. Kelly）的邀請加盟貝爾實驗室。

依據量子力學理論，蕭克萊勾畫出了P 型和N 型矽半導體的能帶和能級圖，並對這些能帶、能級在外部強電場的作用下可能的變化情況進行了分析。之後，蕭克萊意識到這一統也許可以用於放大器的設計。這種利用空間場效應設計放大器的思想形成後，蕭克萊便開始嘗試用實驗來驗證自己的設想。

1945 年7 月，由蕭克萊和化學家摩爾根（S．Morgam）領導固體物理組，該組下設半導體和冶金兩個研究小組，分別負責元件和材料的研究開發，並明確由蕭克萊兼任半導體研究小組組長。研究小組成立後不久，蕭克萊在貝爾實驗室的一些夥伴──實驗物理學家布拉頓和皮爾遜、物理化學家吉布尼（R．Gibney）和電路專家摩爾（H．Moore）等人便先後加盟半導體研究小組。在蕭克萊的推薦下，半導體研究小組引進了精通固體物理的傑出理論物理學家巴丁（見圖1-4）。

巴丁對蕭克萊早期的空間場效應思想未得到確證的問題頗感興趣，經過一段時間的苦思冥想後，提出了「表面態理論」。於是，此後的一段時期，半導體研究小組將研究重點由場效應放大器的研發轉向了半導體基礎理論問題──表面態的研究。

經過一年多反反復復的實驗，半導體研究小組的表面態研究取得了重大進展。1947 年9 月，研究小組確認表面態效應確實存在。表面態效應長期以來一直是導致場效應放大器實驗失敗的主要原因，其作用機理解明之後，設計、試製半導體放大器的一個重大障礙便被排除了。

1947 年11 月21 日，巴丁向布拉頓提出了著手進行半導體放大器研發實驗的建議，當天便按此思路進行了實驗，並在輸出回路中觀測到了微弱的放大電流信號。實驗初步達到了預期效果。

1947 年12 月，蕭克萊與巴丁、布拉頓等人開會就實驗中所遇問題的解決方案進行了討論，與巴丁一起進行了改進後的首次實驗。在這次實驗中，他們獲得較高的輸出功率增益和輸出電壓增益。因此，有學者主張應該將這一天確定為電晶體的發明日。蕭克萊領導的半導體研究小組使用含有這種新發明的固體放大器的實驗裝置為貝爾實驗室的主管們演示了音訊放大實驗。實驗一如人們所期待的那樣獲得了成功。

後來，貝爾實驗室將這種固體放大器命名為「電晶體」（transistor）。由於這種電晶體主要由兩根金屬絲與半導體進行點接觸而構成，故被稱為點接觸電晶體（見圖1-5）。

蕭克萊於1948 年1 月23 日想出了在半導體中加一個調節閥的方法。由於這個中間薄層的功能與自來水管道中的閥門相似，故蕭克萊把這種元件稱為「半導體閥」。

受這些研究的鼓舞，蕭克萊加快了對PN 結以及基於PN結的電晶體的研究進程，結型電晶體問世後，蕭克萊並沒有陶醉在取得重大突破的喜悅之中，仍以飽滿的熱情從事著他的電晶體研究。他將結型電晶體的原理與自己早期提出的場效應理論結合起來思考，在1952 年正式提出了單極場效應電晶體的構想。不到一年，蕭克萊的合作者戴西（C．C．Dacev）和羅斯（I．M．Ross）便將此一構想成功地化為現實，製作出了第一個結型場效應電晶體。

蕭克萊於1956 年2 月在舊金山創辦了蕭克萊半導體實驗室，並因此而被稱為矽谷的奠基人之一。憑著自己在電子工業界的威望，蕭克萊很快便從美國各地招聘來了一批從事半導體研究開發的菁英，其中要特別介紹的是薩支唐博士（Dr. Chih-Tang Sah）（見圖1-6）。薩支唐博士是從事微電子學研究的美國華裔物理學家，原籍是中國福建省福州市，他於1956 年在史丹佛大學獲得博士學位。其父薩本棟先生是中國第一屆中央研究院院士，曾任廈門大學校長。1956 年起，薩支唐博士跟隨蕭克萊在工業界共同從事固態電子學方面的研究，他在工作中表現異常優秀，深受蕭克萊的欣賞和認可。他於1959 年追隨諾伊斯（Robert N. Noyce）、摩爾（Gordon．E．Moore）、格瑞奇（Victor H. Grinich）前往快捷公司（Fairchild）任職。在快捷公司期間（1959-1964），他帶領一個64 人的研究組從事第一代矽基二極體、MOS 電晶體和積體電路的製造工藝研究，是半導體工業先驅之一。1964 年他來到伊利諾伊大學厄巴納─香檳分校任物理系和電子及電腦系教授達26 年，培養出40 名博士。1988 年起，他在佛羅里達大學擔任教授至今。他目前是美國佛羅里達大學教授，也是美國工程院院士、中央研究院院士、中國科學院外籍院士。薩支唐博士是一位非常值得我們學習的大師級科學菁英！

1956 年，蕭克萊同巴丁、布拉頓一起因發明了電晶體獲得了諾貝爾物理學獎。但是，蕭克萊的種族歧視觀念和「獨斷式」管理作風越來越嚴重，加上他自以為是，聽不進部下的諫言，導致他與員工之間的溝通越來越糟。1957 年9 月，蕭克萊半導體實驗室開發部門的諾伊斯、摩爾等重要中幹人員集體辭職，在快捷照相器材公司的資助下創辦了快捷半導體公司。

對於蕭克萊在科技發展歷史上的重要成就，業界都給予了極大的尊重和推崇，但是蕭克萊後期因種族歧視及個人化的管理作風，造成身邊的菁英團隊紛紛離他而去，這不得不說是一個非常大的遺憾。人與人之間雖有不同，但是都是一樣寶貴的，沒有貴賤之分，沒有人應該被歧視。人類是無人格區分的，曾經與他一起共事過的科學家們之後一直能夠秉持科學無國界並對待員工一視同仁的工作精神，從而在半導體行業內樹立了非常好的工作典範。

蕭克萊（William Bradford Shockley，1910-1989）， 美國物理學家。1945 年下半年，貝爾電話實驗室成立了以蕭克萊為組長，蕭克萊、巴丁（John Bardeen,1908-1991）、布拉頓（Walter Houser Brattain,1902-）為核心的固體物理學研究小組（見圖1-2）。該小組於1947 年12 月發明點接觸電晶體，1948 年6 月貝爾電話實驗室報導了這一發明，並申請專利。1949 年蕭克萊提出結型電晶體理論，1950 年由貝爾電話實驗室M. 斯帕克斯（M. Sparks）和G.L. 皮爾遜（G.L Pearson）製造出結型電晶體。1956 年蕭克萊、巴丁、布拉頓共同獲得諾貝爾物理學獎。 ...

上世紀40年代電晶體的發明，50年代積體電路技術隨後問世，從此便開啟了燦爛的資訊技術時代，這是人類文明發展最為迅速的一個時代。我們有幸經歷見證了這個美好的進程。在這個過程中，人們一步步揭開了物質深層的奧秘，出神入化的運用這些材料，實現了種種神奇的功能，將人類認知世界、改造世界的能力擴大了千百倍。

在這個科技迅速發展的時代中，最耀眼的明星無疑是發現、發明這些原理與器件的科學家和工程師。很幸運,這些人有些是我們的師長，有些是我們的同事或者朋友，在與他們共事的過程中，我們受到很多啟發和幫助，所以借此書想跟大家分享這些收穫。尤其是在這些偉大技術的發明過程中，華人科學家、工程師們做出的貢獻，和一些外國科學家的有趣故事，更是我們想在這本書中介紹給大家的。希望這本書能夠給國內半導體產業的工作者們以啟發，做出獨有原創性的工作。

我們選擇了半導體產業發展歷史中最為重要的27項技術發明，以科普為目的，深入淺出地介紹了這些技術。本書一共27章，每章介紹一項技術。牛崇實、季明華、劉永、楊立武、蕭德元、張啟華、李明、張海洋、崔新濤、姚菁、董偉淳等參與了本書的寫作，特此表示感謝。另外，這本書得以完成並展現在廣大讀者的面前，離不開北京清華大學從始至終的鼎力相助，在此我謹代表全體主創人員特別感謝北京清華大學的努力和支持！

上世紀40年代電晶體的發明，50年代積體電路技術隨後問世，從此便開啟了燦爛的資訊技術時代，這是人類文明發展最為迅速的一個時代。我們有幸經歷見證了這個美好的進程。在這個過程中，人們一步步揭開了物質深層的奧秘，出神入化的運用這些材料，實現了種種神奇的功能，將人類認知世界、改造世界的能力擴大了千百倍。

在這個科技迅速發展的時代中，最耀眼的明星無疑是發現、發明這些原理與器件的科學家和工程師。很幸運,這些人有些是我們的師長，有些是我們的同事或者朋友，在與他們共事的過程中，我們受到很多啟發和幫助，所以借此書想跟大...

第1章 電晶體的發明
第2章 積體電路的發明
第3章 LCD技術的發明
第4章 CCD和CIS技術的發明
第5章 DRAM技術的發明
第6章 非揮發性記憶體
第7章 半導體鐳射器的發明
第8章 光纖發展背後的人物故事
第9章 太陽能電池的發展史簡介
第10章 電腦技術與華人
第11章 DLP與DMD技術的發明
第12章 等離子體刻蝕
第13章 浸入式光刻技術
第14章 新興非揮發儲存技術(NVM)
第15章 短距離通信系統
第16章 MEMS/NEMS
第17章 LED發光二極體的創新過程
第18章 1+1>2: CMOS器件的發明
第19章 肖特基二極體——半導體技術的革新
第20章 功率半導體器件和積體電路
第21章 薄膜電晶體(TFT)
第22章 量子霍耳效應
第23章 微光顯微鏡
第24章 分析顯微鏡
第25章 分子束外延
第26章 有機金屬化學氣相沉積
第27章 奈米技術的發展及其應用

第1章 電晶體的發明
第2章 積體電路的發明
第3章 LCD技術的發明
第4章 CCD和CIS技術的發明
第5章 DRAM技術的發明
第6章 非揮發性記憶體
第7章 半導體鐳射器的發明
第8章 光纖發展背後的人物故事
第9章 太陽能電池的發展史簡介
第10章 電腦技術與華人
第11章 DLP與DMD技術的發明
第12章 等離子體刻蝕
第13章 浸入式光刻技術
第14章 新興非揮發儲存技術(NVM)
第15章 短距離通信系統
第16章 MEMS/NEMS
第17章 LED發光二極體的創新過程
第18章 1+1>2: CMOS器件的發明
第19章 肖特基二極體——半導體技術的革新
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