MOSFET的早期歷史

一直到1948年貝爾實驗室宣布發(fā)明晶體管的20多年后，硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET或MOS晶體管)才成為重要的商業(yè)產(chǎn)品。而MOSFET的基本概念——在半導(dǎo)體三極管結(jié)構(gòu)中通過橫向電場對導(dǎo)電性進(jìn)行調(diào)控，首次出現(xiàn)是在1928年的一件專利申請中，并在1948年被實驗所證實。然而，由于表面問題，早期的器件并不實用。盡管這些問題在1958年在貝爾實驗室得到了解決，但貝爾實驗室仍然致力于早期的結(jié)型晶體管技術(shù)。開發(fā)“其他類型的晶體管”首先是在其他地方進(jìn)行的。最終，是計算機(jī)和集成電路的需求所創(chuàng)造機(jī)會，致使硅MOSFET成為數(shù)字電子技術(shù)的基本元件。

“昨天貝爾電話實驗室首次展示了被稱為晶體管的器件，該器件在通常使用真空管的無線電領(lǐng)域有若干應(yīng)用...展示了一個不包含任何傳統(tǒng)電子管的收音機(jī)，其中...”(紐約時報，1948年7月1日)

真空管收音機(jī)因為一個新的器件(即所謂的點接觸晶體管)的出現(xiàn)，而退出舞臺并不令人驚訝。畢竟，在沃爾特·布拉頓(Walter Brattain)和約翰·巴丁(John Bardeen)于1947年12月23日作出這一發(fā)現(xiàn)的時候，點接觸晶體管是當(dāng)時領(lǐng)先的電子技術(shù)。布拉頓和巴丁是威廉·肖克利(William Shockley)為首的研究小組成員，他們在新澤西州默里山的貝爾電話實驗室從事固體電學(xué)性能的研究，主要工作是研發(fā)取代電話交換系統(tǒng)中機(jī)械繼電器的技術(shù)，而真空管被認(rèn)為不適合這種應(yīng)用。

盡管點接觸晶體管從未完全實用化，但其被發(fā)現(xiàn)的消息激起了一大批旨在創(chuàng)造能控制固體中電荷流動的器件研究。1948年初，肖克利獨立地提出了第二種三端器件，即雙極結(jié)型晶體管(BJT)，基本結(jié)構(gòu)是在一塊半導(dǎo)體中形成兩個背靠背的二極管。1950年，第一個BJT被制造出來，該器件又迅速取代了點接觸晶體管，并開啟了晶體管時代，成為接下來20年主導(dǎo)的晶體管技術(shù)。1956年，巴丁、布拉頓和肖克利由于他們對半導(dǎo)體的研究和對晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

雖然早期晶體管的工作受到真空管的啟發(fā)，但這些器件在工作方式上有很大的不同。正如一篇早期的文章所說，“晶體管基本上是一個控制電流器件。因此，晶體管作為電流放大器工作......另一方面，真空管作為電壓放大器運行......”。在早年的在半導(dǎo)體行業(yè)，有許多開發(fā)場效應(yīng)晶體管(FETs)的嘗試都沒有成功，這些器件更接近于真空管。這也是可以理解的，由于在那一代的電子工程師和物理學(xué)家的思想和認(rèn)識中，真空管占了重要組成部分。在這種情況下，當(dāng)這些場效應(yīng)管不工作時，半導(dǎo)體表面的問題就成了罪魁禍?zhǔn)?，就像他們在BJT不工作的時候那樣。盡管貝爾實驗室的研究人員在1958年學(xué)會了如何處理這些問題，但貝爾實驗室當(dāng)時已經(jīng)致全力于BJTs的開發(fā)。在接下來的五年里，許多其他公司——例如，RCA、仙童半導(dǎo)體和德州儀器，都在研究場效應(yīng)管，并為特殊應(yīng)用場合開發(fā)新的器件。然而，只要電子電路是以單個、分立的晶體管來組成的，場效應(yīng)管就仍然是半導(dǎo)體器件市場的很小一部分。

第一塊集成電路出現(xiàn)在1958年，它由兩個連接在一個芯片上的BJT組成。在這一時期，數(shù)字計算機(jī)也正變得越來越多，而由于BJT更高的可靠性也使得更復(fù)雜的電路成為現(xiàn)實。將多個晶體管放在單個芯片上的想法在計算應(yīng)用中很有吸引力，在這些應(yīng)用中，通常重復(fù)使用幾個基本電路單元。第一個微處理器是由英特爾在1971年發(fā)布的。此時計算機(jī)存儲器也被以集成電路的形式生產(chǎn)。人們逐步認(rèn)識到MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)技術(shù)將使集成電路的工藝更加簡單，而且能將更多的器件集成在一個芯片上，最終在1970年左右，開始應(yīng)用于集成電路。之后不到十年，硅MOSFETs就占據(jù)了主導(dǎo)地位。

場效應(yīng)

絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGFET)的基本原理如圖1所示。從最早的商用硅MOSFET到后來用于集成電路的MOS技術(shù)，IGFET一直是最常見的場效應(yīng)晶體管類型。它通過絕緣的柵極產(chǎn)生橫向電場，對導(dǎo)電半導(dǎo)體溝道中的電流進(jìn)行調(diào)制。

圖1. n溝道增強(qiáng)型IGFET的截面圖

IGFET中的絕緣層類似于真空管中的真空，在適當(dāng)偏壓下的真空管中，控制柵極(grid)沒有電流，類似于IGFET中的柵極(gate)。在一些早先試圖在半導(dǎo)體中產(chǎn)生放大器的工作中，可以看到明顯模仿真空管的痕跡。早期布拉頓和貝克爾(J. A. Becker)曾試圖通過在半導(dǎo)體材料中嵌入一個金屬控制柵極，將氧化銅整流器制成一個三極管。肖克利和布拉頓在1939年也再次嘗試了真空管三極管。接著他們在氧化銅的表面嘗試了銅板，并在二戰(zhàn)后做了場效應(yīng)的實驗。但這些嘗試都沒有成功。1945年加入貝爾實驗室的巴丁推測，電荷載流子被半導(dǎo)體和絕緣體之間界面上的懸掛鍵所困住，因此，施加的電場不會大幅改變體半導(dǎo)體中的載流子數(shù)量。這就好比在半導(dǎo)體的表面有一層高導(dǎo)電性的材料，從而屏蔽了半導(dǎo)體。

巴丁和布拉頓開始在實驗室里研究這些表面現(xiàn)象。在一次試驗中(1947年11月21日)，試圖通過在硅和一滴水之間施加電壓來調(diào)節(jié)硅塊中的電流。結(jié)果在硅和硅的表面的一個金屬接觸點之間觀察到了輸出，該接觸點在電解質(zhì)中，但與電解質(zhì)絕緣。在這次實驗中，觀察到了功率和電流的放大，但沒有電壓的放大。然后轉(zhuǎn)而使用鍺，并在1947年12月8日，獲得了2倍的電壓放大和330倍的功率放大。此外，還嘗試了不同的電解質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)其中的一種引起了鍺表面的氧化。他們推測，這種意外的氧化膜可能使器件可以獲得更大的電場。還改變了金屬接觸的幾何形狀，并使用金屬點接觸作為電荷的收集電極，與蒸發(fā)在較薄的氧化層上的金作為鍺的控制電極。1947年12月11日，他們發(fā)現(xiàn)氧化層上有一個洞，實際上并沒有絕緣。在測試這個有缺陷的器件時，他們注意到，如果控制電極的極性與通常采用的極性相反(即如果控制電極相對于半導(dǎo)電體是正向偏壓)，那么包含點接觸的電路中的電流就會因施加在控制電極上的電壓變化而發(fā)生調(diào)制，這就導(dǎo)致了電荷載流子“注入”到器件中的想法。而在此之前的所有工作都是為了研究場效應(yīng)器件。如前所述，1947年12月23日，在不到兩周的時間里，一個使用兩個緊密間隔的點接觸器件，成功的作為放大器而工作，于是他們在一個新的方向上出發(fā)了。

盡管在隨后的幾個月里，這個新的點接觸器件成為了許多人關(guān)注的中心，但場效應(yīng)的想法并沒有被完全擱置。事實上點接觸晶體管專利申請是和另外兩項體現(xiàn)場效應(yīng)概念的專利申請一起進(jìn)行的(如圖2所示)。

圖2.盡管威廉·肖克利(William Shockley)的專利(US Patent No. 2,569,347)是作為雙極結(jié)型晶體管(BJT)的起源而聞名，但該器件其實是作為專利的圖3出現(xiàn)。專利中的圖1是一個柵控的p-n結(jié)，一種絕緣柵場效應(yīng)晶體管，標(biāo)記為“15”的材料是一滴電解液，柵極(16)被浸入其中。根據(jù)該專利，這是“由于電解液和主體表面之間有很大的隔離，該連接為電容性連接”。

盡管威廉·肖克利(William Shockley)的專利(US Patent No. 2,569,347)是作為雙極結(jié)型晶體管(BJT)的起源而聞名，但該器件其實是作為專利的圖3出現(xiàn)。專利中的圖1是一個柵控的p-n結(jié)，一種絕緣柵場效應(yīng)晶體管，標(biāo)記為“15”的材料是一滴電解液，柵極(16)被浸入其中。根據(jù)該專利，這是“由于電解液和主體表面之間有很大的隔離，該連接為電容性連接”。

此外，1952年，肖克利和他的同事們還提出并實驗了另一種不涉及絕緣柵而產(chǎn)生場效應(yīng)的方法，但這種結(jié)場效應(yīng)晶體管(JFET)并沒有取得很大的進(jìn)展——至少在貝爾實驗室。1955年，貝爾實驗室決定集中精力研究硅雙極結(jié)型晶體管。

先驅(qū)者

1964年，朱利葉斯·埃德加·利林菲爾德(Julius Edgar Lilienfeld)的名字出現(xiàn)在了一位名叫做維吉爾·博頓(Virgil Bottom)的物理學(xué)家發(fā)表在《今日物理》(Physics Today)上的文章中。他看到了利林菲爾德的訃告，并回憶起曾看過三個帶有利林菲爾德名字的固態(tài)器件專利。

在博頓簡短的文章中提到，請注意這些專利，并詢問利林菲爾德是否是晶體管效應(yīng)的真正發(fā)現(xiàn)者。

接著一個剛從貝爾實驗室退休的著名物理學(xué)家約翰遜(J. B. Johnson，約翰遜噪聲，也稱作熱噪聲的冠名者)的快速回應(yīng)，讓這件事平息了下來。在他的回應(yīng)中，他對利林菲爾德的固態(tài)器件表示懷疑，并說：“......有一次，我試圖認(rèn)真地按照利林菲爾德的規(guī)格再現(xiàn)他的結(jié)構(gòu)，但觀察不到任何放大甚至調(diào)制現(xiàn)象”。約翰遜的回應(yīng)中也提到了肖克利的結(jié)場效應(yīng)晶體管JFET。

圖3.利林菲爾德(Lilienfeld)的專利(US Patent No. 1,900,018)，重新添加了字母S、G和D，對應(yīng)于現(xiàn)代場效應(yīng)晶體管的名稱——源極、柵極和漏極。柵極材料(10)是鋁。它和p型半導(dǎo)體Cu2S(12)之間被的一層薄薄的氧化鋁(11)所絕緣。半導(dǎo)體Cu2S層在13處“凹陷”并具有“分子厚度”，此處發(fā)生了電導(dǎo)率的調(diào)制。源極和漏極觸點(14和15)是導(dǎo)體。半導(dǎo)體主體、源極和漏極的接觸是真空蒸發(fā)制備的。與圖1所示的硅MOSFET不同，這種耗盡類型的MOSFET在漏極和源極都不存在二極管結(jié)。

利林菲爾德(Lilienfeld)的專利(US Patent No. 1,900,018)，重新添加了字母S、G和D，對應(yīng)于現(xiàn)代場效應(yīng)晶體管的名稱——源極、柵極和漏極。柵極材料(10)是鋁。它和p型半導(dǎo)體Cu2S(12)之間被的一層薄薄的氧化鋁(11)所絕緣。半導(dǎo)體Cu2S層在13處“凹陷”并具有“分子厚度”，此處發(fā)生了電導(dǎo)率的調(diào)制。源極和漏極觸點(14和15)是導(dǎo)體。半導(dǎo)體主體、源極和漏極的接觸是真空蒸發(fā)制備的。與圖1所示的硅MOSFET不同，這種耗盡類型的MOSFET在漏極和源極都不存在二極管結(jié)。

1991年，布雷特·克勞福德(Bret Crawford)在他的物理學(xué)碩士論文中報告了對利林菲爾德的專利(US Patent No. 1,900,018)的重復(fù)實驗結(jié)果，使用是1928年提交專利申請時已有的技術(shù)，同時也表明利林菲爾德申請專利時也知道這些技術(shù)。該器件的基本原理如圖3所示。按照專利中的描述，他制造出了可工作器件，但它們不穩(wěn)定，并且結(jié)果難以重現(xiàn)。這并不奇怪，因為半導(dǎo)體硫化亞銅無法與現(xiàn)代單晶硅相比。克勞福德還發(fā)現(xiàn)了專利中描述的現(xiàn)象與他自己的觀察之間存在著密切的一致性，這些跡象表明利林菲爾德實際上已經(jīng)制造了他的專利器件，而不僅僅是想到了它。

1995年，喬爾·羅斯(Joel Ross)重復(fù)了利林菲爾德的專利。他能夠制備出在幾個月內(nèi)保持穩(wěn)定的器件。盡管這些器件顯示出了場效應(yīng)，但其跨導(dǎo)很差，這顯然是表面態(tài)造成的。但是，器件的功率增益現(xiàn)象十分明顯。

大約在這個時候，羅伯特·喬治·阿恩斯(Robert George Arns)教授正在檢查令貝爾實驗室獲得兩項“諾貝爾獎”的專利申請的法律文件，以尋找出早期出版物和專利可能在貝爾實驗室的專利中發(fā)揮作用的證據(jù)。阿恩斯發(fā)現(xiàn)，利林菲爾德的專利在這些文獻(xiàn)中被廣泛的提及。巴丁和布拉頓的點接觸晶體管專利申請中有69項權(quán)利要求，只有19項被允許。其中，有36項涉及晶體管基本思想的權(quán)利要求被直接否決，理由是它們是早期專利中的已有權(quán)利要求，特別是利林菲爾德的專利。而肖克利的BJT專利提交時有62項權(quán)利要求，只有34項被批準(zhǔn)。在這兩項專利中，總共有65項權(quán)利要求被放棄或不被允許，而不允許權(quán)利要求的最常見理由是該要求為利林菲爾德專利的現(xiàn)有技術(shù)。

在巴丁和布拉頓的點接觸晶體管專利的文件中，還有一份由貝爾實驗室提交的聲明，試圖弱化利林菲爾德的專利要求。在這份24頁的法律聲明中，作者約翰遜(同上)報告說，他曾領(lǐng)導(dǎo)過一個小組，被指派去嘗試三個利林菲爾德專利中描述的器件。他在1949年9月21日的聲明中，首先描述了利林菲爾德的專利(US Patent No. 1,900,018)，即那份后來由布雷特·克勞福德和喬爾·羅斯分別獨立重復(fù)的工作。它的內(nèi)容如下

“...我著手調(diào)查的第一個(利林菲爾德)專利是......No.1,900,018...在我被指派之前......實驗室的另外兩名成員，即威廉·肖克利和杰瑞德·皮爾遜(杰瑞德.L.皮爾遜)，已經(jīng)調(diào)查了其中一種結(jié)構(gòu)的性能，這種結(jié)構(gòu)在大部分細(xì)節(jié)上都是一樣的，除了一個，即絕緣層不是氧化鋁，而是石英......。肖克利和皮爾遜在1948年7月15日的《物理評論》(Physical Review)上報告了這一結(jié)果......。......雖然11%的調(diào)制指數(shù)并不高，......但有用的輸出功率很大......原則上可以作為一個放大器使用?！?/p>

聲明的其余部分專門介紹了約翰遜關(guān)于他重復(fù)其他兩項專利不成功嘗試的報告。最終，肖克利和皮爾遜的場效應(yīng)實驗結(jié)果發(fā)表在了《物理評論》(Physical Review)上，與宣布點接觸晶體管的巴丁和布拉頓的論文相鄰。

利林菲爾德曾在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了許多文章，主題包括熱離子發(fā)射、X射線、場發(fā)射、過渡輻射和電解電容的電化學(xué)。但從未寫過一篇關(guān)于晶體管的文章，唯一提到晶體管的科學(xué)基礎(chǔ)是在他申請的一項專利的文件中發(fā)現(xiàn)的。在文件中，他引用了1915年湯姆遜(J. J. Thomson)提出的一個理論，認(rèn)為半導(dǎo)體是由準(zhǔn)分子單元組成的晶格，其中每個單元的正電荷中心與負(fù)電荷中心分開。湯姆森推測外加的電場傾向于使分子重新排列并改變其電導(dǎo)率。事實上，一直到1931年才出現(xiàn)了基于量子力學(xué)對金屬和半導(dǎo)體的導(dǎo)電性的理解，這在利林菲爾德提交了他的專利申請之后。因此，他在1925-1928年工作期間，不可能使用諸如：“p型”、“空穴”、“費米能級”或“能帶”這樣的術(shù)語。

1935年，柏林大學(xué)的奧斯卡·埃爾(Oskar Heil)提交了一份英國專利申請，其中包含了對絕緣柵FET的首次描述，暗示了新的半導(dǎo)體理論。其基本方案如圖4所示。專利中對p型和n型半導(dǎo)體導(dǎo)電薄膜都有描述。在巴丁、布拉頓和肖克利的專利申請中，與埃爾專利相關(guān)的權(quán)力要求也被駁回。但在這些貝爾實驗室的科學(xué)家所發(fā)表的科學(xué)、技術(shù)和歷史的論文中也從未提及利林菲爾德或埃爾先前的工作。

圖4.來自奧斯卡·埃爾(Oskar Heil)的專利(British Patent No. 439,457.)插圖。半導(dǎo)體薄膜(3)的兩端被導(dǎo)電線(1和2)覆蓋，作為源極和漏極。柵極是一個與半導(dǎo)體薄膜重疊的導(dǎo)電薄膜(6)，但通過絕緣材料(8)與之隔開。

來自奧斯卡·埃爾(Oskar Heil)的專利(British Patent No. 439,457.)插圖。半導(dǎo)體薄膜(3)的兩端被導(dǎo)電線(1和2)覆蓋，作為源極和漏極。柵極是一個與半導(dǎo)體薄膜重疊的導(dǎo)電薄膜(6)，但通過絕緣材料(8)與之隔開。

場效應(yīng)的回歸

如上所述，1955年，貝爾實驗室的研發(fā)重點已經(jīng)變成了硅BJT，盡管由于界面在半導(dǎo)體體內(nèi)，BJT繞過了半導(dǎo)體表面這一最糟糕的問題，但結(jié)晶體管還存在其他表面問題。表面影響了器件漏電電流和可靠性等特性，表面問題也是器件失效的一個常見原因。1956年，馬丁·阿塔拉(Mohamed M. Atalla)被任命為一個小組的組長，負(fù)責(zé)研究表面問題。最終，他的工作重點集中在了硅表面的氧化上，將其作為解決表面問題的一種手段。他在1958年的一次會議上介紹了他關(guān)于熱生長二氧化硅的工作，并受到了熱烈的歡迎。

在這項工作的過程中，阿塔拉提出了一種新的半導(dǎo)體器件，現(xiàn)在被稱為硅MOSFET，這是一個與圖1中描述的非常相似的p溝道器件。阿塔拉小組的成員圣虎達(dá)溫·卡恩(Dawon Kahng)制備了一個這樣的器件，并在1960年的固態(tài)器件研究會議上報告了它。然而，他們卻并沒有被鼓勵發(fā)表這項工作，唯一的書面記錄是貝爾公司的內(nèi)部備忘錄，用以存檔。而且在備忘錄完成之前，卡恩和阿塔拉都已被分配到了其他工作。

1960年，仙童半導(dǎo)體公司的赫爾尼(Jean Hoerni，也是著名的“八叛逆”之一)報告了(阿塔拉等人)在商業(yè)產(chǎn)品中首次使用了硅表面鈍化技術(shù)。這是對雙極結(jié)型晶體管(區(qū)別于場效應(yīng)晶體管)制造工藝的改進(jìn)，并稱之為平面工藝。而貝爾公司直到1966年才開始使用MOS技術(shù)開發(fā)項目。

與此同時，許多其他的公司也在繼續(xù)嘗試場效應(yīng)器件。例如，在1961年，保羅·魏瑪(Paul Weimer)和他在RCA的同事開發(fā)了一種IGFET，利用薄膜技術(shù)，多晶的硫化鎘(CdS)作為半導(dǎo)體層，蒸發(fā)的一氧化硅或氟化鈣層作為絕緣體，這些器件對表面的問題并不敏感，但是CdS遠(yuǎn)不是一個理想的半導(dǎo)體。這些嘗試都沒有取得商業(yè)上的成功。然而，一年后，同樣來自RCA的奧夫斯坦(Hofstein)和海曼(Heiman)發(fā)表了一份關(guān)于硅MOSFET的研究，相比之下，該研究具有更大的前景。

仙童公司的工作對后來MOSFET技術(shù)的發(fā)展極其重要。如上所述，1960年在仙童誕生的平面擴(kuò)散工藝至今仍然是制造半導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)工藝。1963年，仙童公司的萬拉斯(Wanlass)和薩赫(Sah)首次報道了CMOS(互補MOS)概念，這對減少MOS晶體管的功耗極為重要。1964年底，仙童公司和RCA宣布了第一個商業(yè)分立MOS晶體管;二者都使用硅。然而，分立MOS晶體管的市場相對較小，并局限于有限的應(yīng)用類別。在大多數(shù)應(yīng)用中，它們的性能不如相對成熟的BJT。

如果不是因為計算機(jī)產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，MOSFET技術(shù)不可能達(dá)到目前的重要性。除此之外，它重要的意義也取決于集成電路的發(fā)展，事實上，當(dāng)人們認(rèn)識到小型化的需要和潛力時，集成電路的概念就已經(jīng)開始出現(xiàn)了。例如，1952年英國皇家雷達(dá)研究所的達(dá)默(G.W.A.Dummer)用“沒有連接線的塊狀固體電子設(shè)備”來描述分立晶體管的下一代技術(shù)?！霸撛O(shè)備可能由絕緣、導(dǎo)電、整流和放大的材料層組成，通過去除各層的不同區(qū)域直接連接實現(xiàn)電氣功能。”但是英國政府未能支持他的工作，而與這相關(guān)的Plessey公司，也被廣泛地認(rèn)為是錯過了一個機(jī)會(該公司幾經(jīng)收購、重組，目前也是MicroLED行業(yè)AR屏幕的重要廠商)。1958年9月，德州儀器公司的杰克·基爾比(Jack Kilby)將一個簡單的(觸發(fā)器)電路放在一個鍺的單片上，并使用金線作為兩個晶體管之間的連接。其實這一步也不是答案，今天稱之為集成電路的東西仍然等待著其他的發(fā)展，包括硅的表面鈍化與平面工藝。在基比爾的工作后不久，羅伯特-諾伊斯(Robert Norton Noyce)展示了后來被稱為“單片”的集成電路技術(shù)(與基爾比的“混合”技術(shù)相區(qū)別)，該技術(shù)將硅擴(kuò)散雙極結(jié)型晶體管和電阻放在單個硅芯片上，并通過使用光刻技術(shù)生產(chǎn)的鋁線將它們互連。

這些早期的集成電路概念出現(xiàn)在固態(tài)器件使數(shù)字計算機(jī)更加可靠實惠和蓬勃發(fā)展的時期。而正是在計算機(jī)存儲器和微型處理器方面的應(yīng)用，最終確保了硅MOSFET今天所享有的重要地位。

早期計算機(jī)的鐵氧體磁芯動態(tài)存儲器首先受到了來自使用雙極晶體管和存儲單元結(jié)構(gòu)的單片集成電路的挑戰(zhàn)。1966年1月宣布的IBM System 360，Model 91型計算機(jī)，其特點就是芯片具有16位的存儲器陣列，每個位有五個雙極晶體管。1970年，IBM System 370，Model 145型計算機(jī)包含128位雙極動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)芯片。第一個商業(yè)MOS DRAM也是由英特爾在1970年宣布的。它的特點在一個芯片上集成了1024位的三晶體管單元。

MOS技術(shù)有兩個公認(rèn)的優(yōu)勢，使其在這個時候脫穎而出。首先，與雙極結(jié)型晶體管技術(shù)相比，MOS技術(shù)需要更少的工藝步驟;這就意味著成本更低，良率更高。第二，雙極結(jié)型晶體管不能在不損害其工作特性的情況下縮小尺寸，但MOSFET可以。事實上，為了使MOSFET在技術(shù)上具有競爭力，必須將其尺寸縮小很多倍，以降低操作電壓;更大規(guī)模的集成，以減少封裝電容，從而減小信號延遲?？s小MOSFET的尺寸不僅提高了速度，還減少了每個晶體管的功率損耗。同時，微縮也提供了計算機(jī)應(yīng)用所需要的東西，即在單位面積上以較小的成本獲得更多的器件和操作。

計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵一步是1967年羅伯特·丹納德(R.H. Dennard)在IBM約克鎮(zhèn)高地研究實驗室開發(fā)的MOSFET單晶體管電容存儲器單元。有了這一步，MOS技術(shù)不但提供了更低的功率損耗和更少的工藝步驟，而且每塊芯片的比特密度也大大增加。如上所述，到1970年，英特爾開始生產(chǎn)基于每比特三個晶體管結(jié)構(gòu)的單芯片MOS集成電路存儲器。到1973年初，一些制造商報道和/或銷售了4096位的MOS單晶體管單元DRAM。到1985年，每片1,000,000比特已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)。如今，單晶體管的DRAM單元現(xiàn)在是地球上最豐富的人造物。

1971年，英特爾宣布了第一個微處理器，即4004，在當(dāng)時被稱為“芯片上的微型可編程計算機(jī)”。這種MOS處理器，包含大約2300個晶體管。1990年，英特爾80486微處理器芯片載有100萬個器件。MOS技術(shù)的發(fā)展也是其增長的關(guān)鍵。

MOSFET的漫長等待

這篇簡述介紹了MOSFET從利林菲爾德1928年的專利申請起，40多年的發(fā)展歷史中的一些節(jié)點，圍繞該技術(shù)的發(fā)展也產(chǎn)生了許多有趣的問題。

例如，為什么固態(tài)場效應(yīng)器件在1930年代沒有得到更多的關(guān)注?在這個問題上，利林菲爾德的經(jīng)歷很有啟發(fā)。利林菲爾德的第一份美國晶體管專利申請是在1926年提交的，在他辭去萊比錫大學(xué)的職務(wù)后不到兩周。另外兩項申請是在1928年提交的，當(dāng)時他剛開始為馬薩諸塞州的一家無線電電子元件制造商Arnrad公司工作。在那里，他對電解電容的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。1930年，Magnavox收購了Amrad公司，并建立了一個獨立的實體，稱為Ergon研究所，由利林菲爾德領(lǐng)導(dǎo)，他在那里繼續(xù)研究電容器技術(shù)，一直到1935年Ergon關(guān)閉。

從記錄中可以看出，利林菲爾德?lián)碛芯w管專利。Arnrad和Magnavox本來是這些專利的自然客戶。但利林菲爾德顯然沒有成功地讓他們或其他人對這些器件感興趣。缺乏興趣的原因似乎也是合理的。首先，當(dāng)時正值大蕭條時期，很少有資本投資于長期研究和開發(fā)項目。第二，當(dāng)時占主導(dǎo)地位的電子技術(shù)是無線電，真空管非常適合此類應(yīng)用。第三，收音機(jī)和汽車是社會成就的兩個重要標(biāo)志，收音機(jī)在房間里，汽車在房間外。這一時期的收音機(jī)是作為家居用品出現(xiàn)的，是“現(xiàn)代”家庭聚集的“電子爐灶”。這些收音機(jī)被安裝在精致的家具柜里。廣告中將收音機(jī)中的真空管數(shù)量作為質(zhì)量的指標(biāo)，數(shù)量越多越好，更小的元件雖然使用更少的功率，但表明質(zhì)量越差(有點像八九十年代人們用輕重來判斷手機(jī)質(zhì)量)。二十世紀(jì)三十年代文化上的這些特點與二戰(zhàn)后的情況形成了鮮明的對比，戰(zhàn)時無線電、雷達(dá)和電子控制武器的發(fā)展，顯示了可靠性的重要性，隨著電子產(chǎn)品變得更加復(fù)雜，尺寸變得更大，特別是當(dāng)電子系統(tǒng)要被投入飛機(jī)使用時，這些都迫切需要減少功耗需求。

其次，為什么貝爾實驗室的人員不承認(rèn)利連費爾德和埃爾等人的早期工作?貝爾公司關(guān)于晶體管的出版物中沒有一篇提到他們的工作，甚至1948年肖克利和皮爾遜通過實驗證明場效應(yīng)的論文里也沒有。我們還將約翰遜在1964年對維吉爾·博頓的公開回應(yīng)與他在1949年為支持專利訴訟而提交的聲明進(jìn)行比較。1964年的聲明中并沒有提到肖克利和皮爾森1948年對利連費爾德專利(US Patent No. 1,900,018)的確認(rèn)，似乎是在有意誤導(dǎo)。貝爾公司官方工作歷史記錄中只是在一個腳注的尾注中提到了利連費爾德和埃爾的專利。該腳注談到了“可追溯到20世紀(jì)20年代”的早期專利，并指出“顯然所有實現(xiàn)這些概念的嘗試都是徒勞的”。1988年，巴丁終于承認(rèn)，“他(利連費爾德)有控制半導(dǎo)體中的電流流動以制造放大裝置的基本概念”。似乎有可能肖克利等人曾由于表面問題而放棄了MOSFET的想法;否則，在1949年約翰遜的聲明中就不會那么容易地承認(rèn)肖克利和皮爾遜的實驗對應(yīng)于利連費爾德的專利。另外，他們很可能在自己的出版物和言論中保持沉默和/或略過，以支持他們的專利申請，并盡量減少已有的專利對其優(yōu)先權(quán)構(gòu)成的挑戰(zhàn)。

在1960年，當(dāng)阿塔拉和卡恩在公司內(nèi)部研發(fā)時，貝爾公司第二次沒有認(rèn)識到硅MOSFET的價值。這可能有幾個原因。首先，到1955年(五年前)貝爾公司已經(jīng)對肖克利的雙極結(jié)晶體管技術(shù)做出了強(qiáng)有力的支持承諾。1960年的MOS技術(shù)并不如1960年的結(jié)型晶體管技術(shù)——卡恩和阿塔拉的第一個MOS器件比最好的結(jié)型器件慢100倍，而且，雖然半導(dǎo)體表面對結(jié)型晶體管來說是二階效應(yīng)，但對場效應(yīng)管來說，它們?nèi)匀皇且浑A效應(yīng)，因此MOSFET將需要很長的開發(fā)時間。第二，貝爾公司的其他研究人員在1960年的同一次會議上宣布了另一項重要的創(chuàng)新，即外延晶體管，它預(yù)期在結(jié)型晶體管技術(shù)方面會有重大改進(jìn)。第三，貝爾公司的業(yè)務(wù)不是制造器件來銷售，貝爾集團(tuán)的發(fā)展體現(xiàn)在長期的資本投資方面，這有利于技術(shù)的穩(wěn)定，而不是持續(xù)的創(chuàng)新。

剛過了50歲生日(本文寫于1998年)的點接觸晶體管，只是一個彎路。約翰·巴丁在一次采訪中如是說：“他與布拉頓發(fā)現(xiàn)的點接觸晶體管可能減緩了晶體管領(lǐng)域的發(fā)展，因為它將半導(dǎo)體項目從結(jié)型和場效應(yīng)晶體管中轉(zhuǎn)移出來，而這些晶體管后來證明在商業(yè)上更有用......。(如果氧化層像(1947年12月的那一天)預(yù)期的那樣是絕緣的，那么第一個成功的晶體管將是一個場效應(yīng)而不是一個點接觸器件......”。

而慶祝另一個晶體管的生日，即MOSFET的周年紀(jì)念日將更加困難。這個概念(場效應(yīng))出現(xiàn)的太早，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于利用現(xiàn)有的技術(shù)以商業(yè)形式將之實現(xiàn)之前。篳路藍(lán)縷，最終，現(xiàn)代數(shù)字計算機(jī)的需求以及MOS技術(shù)為計算應(yīng)用帶來的獨特優(yōu)勢，確保了MOSFET在技術(shù)歷史中的地位，也為一路發(fā)展過程中的不懈努力提供了有說服力的動機(jī)。

審核編輯：湯梓紅