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半导体技术历史 半导体技术历史 第一章 半导体技术发展历史 第一节 晶体管之前的历史 在晶体管发明之前，最重要的电子元件是电子管，也叫“真空管”。 1.1爱迪生效应 (Edison effect) 1877年，爱迪生发明碳丝电灯，应用不久即出现了寿命太短的问题，这是因为碳丝难耐高温，使用不久即告“蒸发”，灯泡的寿命也就完结了。爱迪生设法改进这种电灯，1883年，他忽发奇想：在灯泡内另行封入一根铜线，也许可以阻止碳丝蒸发，延长灯泡寿命。 经过反复试验，碳丝依然蒸发如故，试验宣告失败，但他却从试验中发现了一个稀奇现象：碳丝加热后，铜线上竟有微弱的电流通过！铜线与碳丝并不相连，哪里来的电流？在当时，这是一件不可思议的事情，爱迪生敏感地意识到这是一项新的发现，把它记录在案，命名为“爱迪生效应”，并申报了一个在当时未找到任何实际用途的专利。 爱迪生效应装置 1.2 真空二极电子管 二十世纪初无线电报刚刚出现的时候，从发射台产生的高频无线电波，必须先经整流才能在收报台收到。而当时使用的是金属粉末检波器，它的结构复杂、功率很差，要进一步增大能信距离就非革新这个原始的检波器不可。 1885年，30岁的英国电气工程师弗莱明（J.Fleming）认为，“爱迪生效应”一定可以为热电子真空发射找到实际用途。 他在试验中发现，如果在真空灯泡里装上碳丝和铜板，分别充当阴极和屏极，则灯泡里的电子就能实现单向流动。经过反复试验，弗莱明于1904年研制出一种能够充当交流电 整流和无线电检波的装置，他把这种装置称为“热离子阀”，阀是开关的意思，并用这个名称申请了专利。这个装置正是世界上第一只电子管，也就是人们后来所说的真空二极电子管。 真空二极电子管当时主要作为检波器件，但是早期由于性能很不稳定，直到高真空电子管发明后，它才获得普遍应用。 1.3 真空三极电子管 1906年，为了提高真空二极电子管的检波灵敏度，德·福雷斯特(Lee De Forest)在二极管内添加了一个栅栏式的金属网，形成第三个极。这个“栅极”仿佛就像百叶窗那样，能控制阴极与屏极之间的电子流。只要栅极有微弱电流通过，就可在屏极上获得较大的电流，而且波形与栅极电流完全一致。德·福雷斯特为这“三个极”的真空管申请了专利，并宣告真空三极电子管具有放大作用。 由于早期的真空三极电子管真空度不高，效果一直不是很好。1912年，美国通用电气公司的化学家兰茂尔和美国电话电报公司的阿诺德，分别研制出高真空的三极电子管，使其放大倍数大幅度提高，工作性能更加稳定。从此，电子管进入了实用阶段。 真空三极电子管的发明和应用是电子技术史上划时代的大事，它为通讯、广播、电视、计算机等技术的发展铺平了道路。 1.4 第一台电子管计算机 1940年代初，美国陆军部为了二战的需要，开始研发一种新型大威力火炮，设在马里兰州的阿伯丁“弹道研究实验室”，每天为大量繁琐的弹道轨迹数据计算，伤透了脑筋，陆军部希望能有一种快速计算设备来解决大批量数据的计算问题。 1942年８月，宾夕法尼亚大学莫尔学院的约翰·莫奇利(John W. Mauchly)教授建议用电子管为基本元件，来制造高速运算的计算机，陆军部考察这个计划后，给予了财力支持，1943年，莫奇利和年仅２４岁的硕士研究生埃克特(J. Prespen Eckert)组织了一个研究小组，全力投入研制，并为这台计算机起名为“电子数值和积分计算器”，简称“ENIAC”（埃尼克）。 “ENIAC”（埃尼克）于1945年底完成研制，它使用了17,468只电子管，70,000只电阻，10,000只电容，占地167平方米，重量达30吨，耗电160千瓦，是一个名副其实的“庞然大物”。其运算速度比当时最好的机电式计算机快1000倍，每秒可进行5000次加法运算、357次乘法或38次除法运算。 “ENIAC”的诞生，是计算机发展史上的一个里程碑，标志着电子计算机时代的到来。 1.5 最初晶体管的构思 Julius Edgar Lilienfeld 李利费尔德(1882-1963)：德国人，曾在University of Leipzig任教，后由于德国日益增长的迫害犹太人的形式而移居美国，是公司的电容工程师。他于1925年第一个提出了场效应晶体管的概念并于1930年获得专利。 1935年, Oskar Heil描述了一种类似于结型场效应晶体管的结构(O.Heil, British Patent 439,457,1935). 然而，由于材料的困难实际制备晶体管在1960年以前是不可能的。 Sho