作者:上海普羅新能源有限公司董事長(zhǎng) 史珺博士 

四 硅

“靈明一點(diǎn)輝千古　超日月光歸去來。”

----《金剛科儀寶卷》，宗鏡大師（宋）

在20世紀(jì)早期，硅的純度沒有超過99%。這時(shí)，這種不算純的硅用于鋼和鋁合金的冶煉：特別是硅鋼片，因?yàn)榫哂辛己玫拇判阅?、沒有相變和低成本，至今仍用于變壓器疊片。然而，硅作為半導(dǎo)體應(yīng)用，應(yīng)歸功于一位叫G. W. Pickard的美國(guó)發(fā)明家，它致力于尋找一種新的以無線電技術(shù)發(fā)射信息的檢波器，硅才于1906年首次步入人們的視野。當(dāng)時(shí)G. W. Pickard試驗(yàn)了大量金屬絲/晶體的復(fù)合物，當(dāng)中一個(gè)細(xì)金屬絲與晶體復(fù)合能得到射頻信號(hào)的整流。根據(jù)Seitz的說法，Pickard試驗(yàn)了30000多種復(fù)合物：包含方鉛礦的晶體、碳化硅和冶金級(jí)別的硅（叢西屋公司獲得，大多為多晶形態(tài)）。在1906年，Pickard因采用這種方式利用硅而得到了一項(xiàng)專利的授權(quán)。在早期，許多業(yè)余愛好者都適用這種檢波器。

硅晶體表面的一些特殊位置----“熱點(diǎn)（Hot Spot）”----具有更好的性能已成為共識(shí)。但當(dāng)時(shí)對(duì)于這些熱點(diǎn)究竟是什么，并沒有確切的結(jié)論。在Pickard獲得專利的同年，Lee DeForrest 發(fā)明了真空電子三極管，在其性能被顯著改善后，它取代了短壽命的半導(dǎo)體檢波器。

直到第二次大戰(zhàn)早期，當(dāng)開展大量對(duì)雷達(dá)的研究時(shí)，關(guān)于硅的技術(shù)才有大的發(fā)展。檢波問題使超高頻率波開始應(yīng)用，但真空電子管不適合于整流。一位名叫Hans Hollmann的德國(guó)人在爆發(fā)戰(zhàn)爭(zhēng)前出版了一本關(guān)于高頻率技術(shù)的書，在書中他總結(jié)出在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，金屬絲/晶體的復(fù)合物裝置對(duì)于整流是必要的。另外一位德國(guó)人，Juergen Rottgard, 在1938年隨著這些發(fā)現(xiàn)總結(jié)出硅/鎢復(fù)合物是最佳的。

對(duì)盟軍來說幸運(yùn)的是，德軍統(tǒng)帥部對(duì)這些可能改變戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程的技術(shù)卻絲毫也不感興趣，而德國(guó)人的工作結(jié)果在一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)被早期的英國(guó)雷達(dá)研究者所看到，特別是Denis Robertson，他勸說另外一位物理學(xué)家Herbert Skinner來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果在1940年7月制造出硅/鎢整流裝置，密封在由振動(dòng)衰減液體覆蓋的玻璃中，硅（仍然是冶金級(jí)別的純度）被釬焊在一個(gè)可被密封到玻璃管中的鎢棒上。在早些時(shí)候（見下文），美國(guó)物理學(xué)家獨(dú)立地發(fā)展了一個(gè)相似的裝置。不久以后，美國(guó)杜邦公司開發(fā)了一種制備更純凈的硅的工藝，并開始了英美之間的合作，很快獲得了有效的雷達(dá)監(jiān)測(cè)。

這項(xiàng)戰(zhàn)爭(zhēng)年代的工作使許多科學(xué)家很認(rèn)真地把硅看成一種“有用的”電子材料，位于新澤西州的貝爾實(shí)驗(yàn)室十分有遠(yuǎn)見和理智地為研究工作掃清了障礙，并在第二次世界大戰(zhàn)后集中精力在該研究上。研究的推動(dòng)者主要源于物理學(xué)家Mervin Kelly博士，1936年他成為貝爾實(shí)驗(yàn)室研究部主任。在他攻讀博士學(xué)位期間，他與Millikan(密立根）一起工作，應(yīng)用其著名的油滴技術(shù)來測(cè)量電子的電荷，并開始確信基礎(chǔ)研究的重要性；他在20世界20年代加入貝爾實(shí)驗(yàn)室。在1929~1936年的經(jīng)濟(jì)大蕭條而導(dǎo)致人們大量失業(yè)期間，Kelly的第一個(gè)合約就是雇傭了以迷宮物理學(xué)家William Shockley，他在11年后成為發(fā)明晶體管的三個(gè)人之一。

Shockley 在回憶與Kelly關(guān)于長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)的討論時(shí)說：“電話交換應(yīng)該由電子控制完成，以代替使用機(jī)械裝置如繼電器，因?yàn)槔^電器有煩瑣的維修問題。Kelly非常明確地強(qiáng)調(diào)了這個(gè)目標(biāo)的重要性，給我留下了難以忘記的印象。”可見Kelly在最終決定前，進(jìn)行了超過十年的戰(zhàn)略規(guī)劃。在1938年，他對(duì)貝爾實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)研究進(jìn)行改革，動(dòng)員 Shockley和一名冶金學(xué)家、一名物理學(xué)家進(jìn)入一個(gè)新的獨(dú)立研究組病開展固體物理研究。Kelly堅(jiān)持這個(gè)研究組的科學(xué)家只做基礎(chǔ)研究，把后續(xù)的發(fā)展留給別人去做。作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略研究，這真是一個(gè)革命。

兩名貝爾實(shí)驗(yàn)室雇員，Russell Ohl和George Southworth，在20世紀(jì)30年代后期試圖用真空管檢測(cè)超高頻無線電波，正如大西洋彼岸的Skinner一樣，他們沒有成功。為了取得進(jìn)展，Southworth，一名在童年時(shí)代就是無線電愛好者，回憶起他的早期硅-細(xì)金屬絲的設(shè)計(jì)并設(shè)法從一家二手無線電商店采購(gòu)了一些舊的裝置。正如他們稍后為Skinner所作的一樣，裝置可以工作了。Russell Ohl 和Southworth作了系統(tǒng)的比較（他們這時(shí)并不知道Pickard在1906年做的類似工作），并且再一次把硅作為首選；首選的“熱點(diǎn)”不得不再一次定位?，F(xiàn)在的目標(biāo)是研究“熱點(diǎn)”的本質(zhì)。

這個(gè)時(shí)候，冶金學(xué)家開始參與了進(jìn)來。Jack Scaff 和Henry Theuerer在1939年做出硅晶體，并與Ohl和Southworth合作，他們最終在一個(gè)硅錠中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)界面，并且界面兩邊表現(xiàn)出不同的性能：整流的功能相反，也就是電流的方向是相反的。冶金學(xué)家把兩個(gè)性能相反的區(qū)域分別命名為n型和p 型。緊接著，Ohl發(fā)現(xiàn)一片硅同時(shí)包含這兩種類型區(qū)域，并且對(duì)光照射表現(xiàn)出較強(qiáng)的光電效應(yīng)。“p-n結(jié)”允許硅作為自整流器。冶金學(xué)家們開展了艱苦的工作來確定可以決定局部是n型還是p型的雜質(zhì)元素，最終得出結(jié)論，這些元素主要是元素周期表中的第III和第V族元素。這項(xiàng)研究對(duì)于以后晶體管的發(fā)明是絕對(duì)必要的。

1947年，Bardeen基于Shockley的一些實(shí)驗(yàn)，開始接受半導(dǎo)體中“表面態(tài)”的觀點(diǎn)（這是一個(gè)顯著的理論突破），從N型到P型的轉(zhuǎn)變與強(qiáng)外場(chǎng)所導(dǎo)致的半導(dǎo)體表面緊密相關(guān)，這個(gè)觀點(diǎn)與P-N結(jié)的知識(shí)一起，經(jīng)過了系統(tǒng)的研究后，直接導(dǎo)致了1947年的晶體管的發(fā)明。

(未完待續(xù))