罗伯特·诺伊斯与隧道二极管

罗伯特•诺伊斯与隧道二极管叶晓劼/编译罗伯特•恩•诺伊斯，第一个实用集成电路的发明者•隧道二极管是人类进入电子时代后的一项伟大发明，是硅时代的重要物质基础。科学史家(LeslieBerlin,H.CaseyJr)通过详细的史料，为我们还原了这一重大历史事件的发生过程。一本1965年的笔记本，完整地记录了关于隧道二极管的历史进程：1976年12月，纽约市MIT俱乐部中，当创新研讨会上的喇叭传出的声音告诉在场观众隧道二极管的存在时，这绝对算得上一个巨大的震撼，因为说这话的是罗伯特•恩•诺伊斯(RobertN.Noyce),而不是里奥•江崎(LeoEsaki),里奥•江崎于50年代末发明了隧道二极管而赢得1973年诺贝尔物理学奖。作为一家总部位于加州圣塔克拉拉的英特尔公司的创始人之一，罗伯特•恩•诺伊斯也是第一个实用集成电路的发明者。可以知道的是，如果罗伯特没有讲出那番话，那么历史上那些负有盛名的电子设备也许永远不会被大量地制造出来。诺伊斯的idea工程师们梦寐以求的隧道二极管，具有非常快速的切换时间——甚至可以达到几十皮秒，而此时晶体管仍停留在毫秒级。虽然隧道二极管偶尔用来作为非常高速开关，但这却并没有变成商业上的成功。不同于具有众多应用场合的三端晶体管，二极管只是一个双端器件，无法轻松放大增益。但这并不妨碍隧道二极管成为一项极富开创性的发明。它首先为隧穿现象提供了物理证据，而隧穿现象不仅是个有趣的理论，更是量子力学中一个非常重要的假设。作为现代物理学基础，量子力学为原子级物质行为和辐射的预测提供了一个详尽的概念框架。其最根本的概念在于，将亚原子级的能源交换限定在固定的数量层级上——简而言之，量化。许多量子力学的核心概念和现象几乎都是完全违反人类认知直觉的。例如，如何将一件半导体器件与绝缘体结合。若从经典物理学理论的角度来看，半导体中的电子都如同橡胶球，而绝缘体就像是一个小花园的围墙，除非电子的能量比屏障高，否则其根本没有穿过障碍的可能。但根据量子力学理论，一定条件下隧道现象反而可以使比障碍能量小的电子穿过屏障，而不是如同往常从屏障上反弹回来。自20世纪20年代末，物理学家们从未停止过关于隧道技术是否真正在固体中发生过的讨论。而隧道二极管为此出示了第一个可以令人信服的实验证据。当IBM公司49岁的半导体科学家江崎赢得1973年诺贝尔奖时，无论是他自己亦或是诺贝尔委员会都还不知道诺伊斯所开展的科研工作。早在16年前，当他还在日本本土时，他供职于一家现被称为索尼的公司中，江崎做了一个隧道二极管，并测量其电压电流比。事实上，诺贝尔委员会通过追溯1957年江崎的日记发现，其科研成绩与同时代诺伊斯所做的工作大体是一致的。瑞典皇家科学院斯蒂格•郎德维斯特(StigLundqvist)在1973年诺贝尔物理学奖颁奖典礼上，这样比喻到江崎的成就：“将电子视作为是一个对着墙的球”而伊瓦尔席尔瓦(IvarGiaever)和大卫•约瑟夫森(DavidJosephson)则因为共同发现固体中隧道现象的不同特征而分享了奖项。自工业时代开始，几乎每一个重要的发现都有争议的历史。辛里奇•格贝尔(HeinrichGobel)，出生在德国汉诺威附近的一个小镇，在1893年向法院提起诉讼，声称是他发明了灯泡，而不是早前人们公认的纽约市的托马斯•爱迪生。同样的事情也发生在飞机，电话，转子加密机，电视，集成电路和微处理器上，这还只是例举的几个例子。类似的反诉往往也是有可能的，因为发明和研究往往是群体活动，而发明很可能几乎在同一时间正好出现在不同的两个地方。不过也有出于通过此类曝光来增加自己名气的不良念想。当然诺伊斯并不是出于歪主意才这么做的，每件现代电子器件的核心本质就是集成电路。事实上，当IC发明被视作为诺贝尔奖级的成果时，委员会将2000年诺贝尔物理奖颁给了杰克•斯。基尔比(JackS.Kilby)并将其视为IC的共同发明人记载入册。不幸的是，诺伊斯错过了加入得主殿堂的机会，他已于1990年去世，而此时奖项已无法追授于他。即使1976年诺伊斯在研讨会上提到他的成就时，他也并不是在追名逐利。事实上，就在他声称笔记本上记录着相关发明后，他提到：“这项工作也曾经被［利奥•江琦］在其他地方做过并且对外发布。”他会提起这件事，完全是因为他考虑到1956年他老板对隧道二极管的处理方式而导致，他认为这件事也许对“如何不激励人”有些参考作用。被老板肖特基打击诺伊斯当时的老板是威廉•B•肖特基(WilliamB.Shockley)，他是一位非常聪明而善变，富有事业心却独断专行，甚至有点古怪的物理学家。他甚至让那些没有公开服从他的雇员进行谎言测试。年轻的诺伊斯对隧道二极管有着极强的洞察力，肖特基本人也在不久之后获得了诺贝尔物理学奖，诺贝尔物理学奖授予他和另外两外发明晶体管的同事(JohnBardeen)和沃尔特•布拉顿(WalterBrattain)。肖特基于1955年创建了肖特基半导体实验室，并做出宏图目标，不仅要赚到一百万美元，并在《华尔街日报》上看到他的名字。诺伊斯此时正是肖特基实验室晶体管研究组的负责人。有着物理电子博士学位和两年Philc。公司晶体管研究实验室的经历，他是肖特基手下几十名员工中最有经验的半导体研究员。1956年8月14日，诺伊斯在自己的实验笔记本中提出这样一个想法：“负阻二极管”。大多数二极管的特征是，电流与电压成正比关系——也就是说导体两端加载的电压越大，那么通过它的电流也就越大。二极管正向电压下的偏置电流是比较大的，而当偏压是反向时通过的电流是非常小的。半导体二极管要通过添加杂质原子才能获得类似的特征。江崎将锗作为半导体材料。其中他使用了两种类型的杂质。所谓的配位原子外轨道的电子数要比锗原子外轨道电子数要多。过量的电子会变成自由电子，从而用于电传导。电子过量型的结构被称为N型半导体。类似地，如果锗材料内掺杂的杂质原子，其外轨道电子数比锗原子外轨道电子数少，那么杂质原子就会带走，或者留下半导体中的电子，留下的就被称之为空穴。每一个空穴其实是被视作为正电荷，而空穴过量型的结构就被称之为P型半导体。锗可以掺杂以创建P-型和n-型部分，相互对接并形成所谓的pn结。在pn结，一个电位差，通常建立了跨越靠近那里的P-型和n-型半导体接触到一个狭窄的区域。这种内置的电位设置针对孔的通道进入n-型材料和电子的通道进入p型势垒。二极管两端施加外部偏压改变了屏障的高度。A“正向偏置”一一由一个电池的正极端子连接到p侧和它的负极端子与n侧获得一一降低了势垒，使电子从n侧容易地流动到p侧。反转极性，并且势垒的高度升高时，禁止电子的流动。但是诺伊斯却做了一个令人吃惊的预测。他提出如果在一个半导体内，相反的极性区域能被掺入比当时大约多上一千倍的杂质含量。再将正向偏压从零开始增大，施加到重掺杂的二极管中（诺伊斯称其为“退化”），他预测此时电流的增长速度要比正常二极管更大。这种现象之所以会发生，实际上是因为在杂质浓度高的区域，球体（电子）可能穿过隧道壁（势垒结）。在某些点上，电压会进一步增加，从而使隧道电流变小，但处在更高的电压时，非隧道二极管的电流就会增加。诺伊斯与他的朋友戈登・E.摩尔，一起讨论该想法，戈登・E.摩尔是一位化学家，比诺伊斯早一天加入肖特基实验室。接着，他带着他的笔记本去找肖特基，期待该想法会让他留下深刻印象。相反，“老板对该想法表现得毫无兴趣。”诺伊斯说。实验室也无法满足诺伊斯来开展任何带有盈利色彩的研究项目，同时肖特基是一位竞争意识十分强烈的人，他对自己员工有独立追求的想法感到十分不满，因此他并没有将该想法放入研究议程中。失望的诺伊斯只能合上他实验室中的书，委屈地按照肖特基的想法去接手其他研究项目。直到现在为止，除了摩尔和肖特基，再也没有其他人见过罗伯特•诺伊斯在1956年所描述的隧道二极管。但是诺伊斯还是复制了自己的研究工作，并设法将其保存了下来。他如何复制这些纸张还尚未清楚——因为50年代后期时，影印技术还处于起步阶段，虽然诺伊斯晚年从未将这些笔记放入肖特基的笔记本中，但这些笔记页面的合法性是不容置疑的。作为本文的作者之一，莱斯利•柏林（LeslieBerlin）于2001年1月在加利福尼亚州圣克拉拉市一堆诺伊斯的飞兆半导体（FairchildSemiconductor）的笔记本中发现该笔记。八位工程师和科学家，其中包括罗伯特•恩•诺伊斯［右］和戈登•摩尔（GordonE.Moore）［左起第二位站着的人］，他们在1957年共同创办了飞兆半导体（FairchildSemiconductor），该图为该公司早期的生产车间柏林将这些复制的笔记页面与肖特基实验室唯一幸存的笔记本进行了比较，该本笔记本是属于加利福尼亚州斯坦福大学的威廉•肖特基特别藏品。本子上记载着诺伊斯的想法，这本笔记本显然就是肖特基在实验室中给予其员工的，而且本上的笔迹也证明是诺伊斯的。这一切，伴随诺伊斯科研工作日期（联想到其1976年关于此的评论）与摩尔的回忆，更进一步验证了其真实性。将诺伊斯笔记本上所记载的观点与江崎在1958年1月发表在《物理评论》杂志（该期刊于1957年10月收到来稿）上的开创性论文进行快速比较，显示出惊人的相似之处。两人都使用能带图来表示其关系，在图中y（垂直）轴表示电子和空穴能量，而x（水平）轴则表示pn结中的位置。八位工程师和科学家，其中包括罗伯特•恩•诺伊斯［右］和戈登•恩•摩尔（GordonE.Moore），他们在1957年共同创办了飞兆半导体，上图为该公司早期的生产车间。诺伊斯的“能级”图，就是现在所谓的能带图，展现出电子和空穴的位置。同时也表明了得到隧道电流的必要条件。图中的上侧实线表示半导体的导带底部，带中电子可以自由移动，从而成为配位原子。低实线表示的则是价带顶部，其中杂质原子（受主原子）可以自由移动。导带和价带之间的间隔能隙，以Eg来表示，该能量范围内不允许有任何电子或空穴。所以Eg有时也被称之为禁带。在诺伊斯的图中，费米能级，或以Ef表示，代表了大多数p型半导体的空穴和N型半导体的能量边界处大部分的自由电子。对于高度掺杂的半导体结构，Ef落在价带边缘下方和导带边缘的上方。电子会“沉下来”，因此他们处于导带的最低能级，而空穴会“浮起”，从而处于价带的最高能级水平。因此如果发生显著的隧道现象，空穴位于价带顶部和Ef之间，而自由电子则处于Ef和导带底部。p侧和n侧中间所在的价带和导带边缘区域被称为势垒区，就是势垒所在的区域。这个区域降低了配位原子和受主原子的浓度，并且对隧道二极管而言其尺寸会小于10纳米。值得注意的是，如果不施加偏压，p侧的空穴能量要比n侧的电子能量高。如果要发生隧道效应，那空穴能量必须和游离电子处于同一能量级。但是如果加载正向偏压（连接到p侧的正电压），就会升高了Ef,同时n侧导带电子会因对p侧Ef所施加的偏置电压的大小而变化。现在自由电子与空穴处于相同的能量级，并且电子可以穿过p侧的势垒，产生隧穿电流。当增加正向偏压的时候，更多的自由电子和空穴都处在相同的能量级别，此时隧道电流也会增大。诺伊斯和江崎同时认识到，当偏压进一步增加的时候，N侧的Ef会比P侧的Ef增长的高，同一能量级的自由电子浓度所形成的空穴会降低，从而导致隧道电流的降低，就如诺伊斯的电流（I）与电压（V）图中所展示的。当出现一个较大的偏压的时候，在诺伊斯所示的图中，正常的二极管电流会低于Ef电压。该图与江崎所测试得到的电流-电压图非常相似。这种现象表明随电压增长电流是降低，也就是为负阻，该特性已被开发为振荡器。但是诺伊斯和江崎的工作间还是存在着一个重要的区别。诺伊斯只预测了电流降（即隧穿现象的证据）。但是江崎制造出了展示该实验的设备，从而来证明他的想法。这种差异是至关重要的，因为很多好的想法就是死于从头脑到实验台的途中。“我原本可以做出来的”诺伊斯在1956年最终还是未能实现其想法，这样的结果肯定是来自肖特基的劝阻。诺伊斯本质上还是一位实验主义者。（"他钦佩那些做事情的人"他的朋友莫里斯•纽斯特因（MauriceNewstein）在2003年向本文的一位作者解释道）当然后来诺伊斯也被证明其实有点反传统，当时肖特基决定将研究重点放在他所发明的不起眼的装置，即所谓的四层二极管，可他还是私底下在努力制造硅晶体管。但在1956年8月，29岁的诺伊斯进肖特基实验室工作还没有超过半年，就决定离职了。如果当时他老板告诉他放弃离职的念想，也许诺伊斯仍会留下来。当诺伊斯1958年读到里奥•江崎在《物理评论》杂志上文章的时候，他已不再为肖特基工作了。1957年9月，他，摩尔和其他6位前肖特基实验室的雇员——这要超过肖特基实验室一半的高级技术人员了——离开了他们喜怒无常的老板，并成立属于自己的晶体管公司，名叫飞兆半导体。同时肖特基的公司也濒临失败，（他之后于1963年加入了斯坦福大学），他无法忍受自己员工成立的公司获得巨大成功的侮辱。在不到十年的时间，飞兆半导体在诺伊斯的领导下，雇员增加到11万人，并产生超过1200万美元的利润。江崎发表的文章在电子界引起不小的轰动。在1958年的国际物理学会议上，观众对江崎的演讲表现出强烈的兴趣。有趣的是，江崎将此归功于威廉•肖特基，而肖特基在会议之前的主题演讲中也明确提到江崎的工作。我们永远无法知道为什么肖特基会改变他对二极管重要性的想法，