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固态电子器件的历史发展

2021.8.27

  固态电子器件是20世纪40年代发展起来的一类器件,但就其研究工作来说,可追溯到19世纪。1833年,M.法拉第最早发现硫化银的电导率随温度升高而上升,这和一般的金属导体的性质正好相反。1833年,W.史密斯发现在光照下硒的电导率会改变,这是第一次发现半导体的光电导效应。一年以后,K.F.布劳恩发现硫化铅和一个触针接触可以产生整流效应,在早期的无线电实验中用作有效的检波器。1876年,J.C.亚当斯等发现硒的光电池效应。这些都为后来固态电子器件的发展起了先导作用。

  对半导体材料的大量实验性研究工作开始于19世纪中叶。虽然当时发现了许多新奇的效应,但实验的数据往往不能重复,这些效应的机理长期得不到确切的解释。这使半导体电子器件在早期未能很快发展。量子力学建立后人们才对半导体的电学性能有了比较深刻的了解。1900年,M.普朗克提出量子的概念,以后经过许多科学家的努力,弄清了电子和光子具有波动和粒子的二重性。1927年,F.J.M.斯特拉特首先指出电子能量在晶体内部的周期性电场下将形成能带。1930年,L.N.布里渊对能带的结构作了进一步分析,使半导体的许多电学、光学和光电性质得到了满意的定性解释,但当时定量的分析还十分困难。第二次世界大战后,由于半导体材料工艺的发展,许多理论和实验的定量分析才得到比较满意的结果。

  30年代末,固体的能带理论已比较成熟。当时英国的莫特,苏联的达维多夫和德国的W.H.肖特基几乎同时发展了金属和半导体接触的整流理论。这时,许多科学家想进一步在固态整流器的基础上探索一种固态放大器。1935年,O.海尔建议用一个控制电极来控制一层半导体薄膜中的电流,从而构成一个固态放大器。1939年,W.B.肖克莱根据肖特基结中空间电荷区的宽度随反向电压改变的概念,肯定认为可以利用这个效应来制造一个固态放大器。他们曾用氧化亚铜作为材料,但未成功。第二次世界大战后,肖克莱等人决定改用锗和硅单元素半导体材料作为研究对象,继续探索制作固态放大器的可能性。这个选择研究对象的改变,在发展固态电子器件的历史上有着重要的意义。第二次世界大战前,固态电子器件发展迟缓的一个重要原因是研究对象分散,而且是许多复杂的化合物半导体。化合物半导体材料制备水平不容易提高,实验数据难以控制,进展也必然缓慢。1947年年底,W.H.布喇顿和J.巴丁在肖克莱的建议下,在研究控制表面态上的束缚电荷的过程中,终于发明了第一个固态放大器──点接触晶体管。这在固态电子器件的发展过程中,是一个划时代的事件。1948年贝尔实验室正式宣布此事。不久,G.K.蒂尔在拉制锗单晶的过程中制成了比点接触晶体管性能稳定得多的第一个结型晶体管。50年代中期,随着各种新工艺的发展,各种类型的晶体管,如合金结晶体管、表面势垒晶体管、合金扩散晶体管、双扩散晶体管、台面晶体管等相继问世。1960年前后,仙童公司的J.A.霍尔尼研究成功一种硅平面型晶体管工艺,简称平面工艺。制成的硅平面晶体管性能稳定,可靠性高,成为以后硅晶体管主要发展方向。平面工艺的发展促进了集成电路的发展。

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