MOSFET_Structure

另一種「關鍵少數」——電晶體 MOSFET的發明

另一種「關鍵少數」——電晶體 MOSFET的發明

另一種「關鍵少數」——電晶體 MOSFET的發明

電晶體的種類有很多種,其中最重要的無疑是「金屬氧化物半導體場效電晶體」(簡稱 MOSFET),它的數量佔了所有電晶體 99.9% 以上。據統計,自 1960 年問世直到 2018 年為止,MOSFET 的生產數量多達 1.3×1022 顆。這數目有多大?這麼說吧,如果平均分給全世界 78 億人,每個人可分到 1.7 兆顆。

上一篇的〈純屬意外的發明與發現——矽晶圓氧化層〉,寫到由於 1955 年的一件實驗意外,造成矽晶圓表面產生氧化層,才促成半導體技術的突飛猛進,其中便包括了 MOSFET。但其實它的故事得從更早之前講起……。

理論可行,但就是做不出來

1956 年的諾貝爾物理獎由蕭克利 (William Shockley)、巴丁 (John Bardeen) 和布拉頓 (Walter Brattain) 三人共同獲得,以表彰他們在半導體與電晶體的研究與發現。後兩人率先於 1947 年底發明「點接觸式電晶體」,蕭克利緊接著在一個月後,發明更堅固實用的「接面式電晶體」。不過,他們原本研究的都不是這兩種電晶體,而是「場效應電晶體」,卻始終做不出來,不得已才另闢蹊徑。

場效應電晶體是蕭克利在二次大戰期間想出來的。基本上就是將正負極接在矽晶體兩側,然後在上方施加電場,把矽晶體的電子吸引到表面,形成一條電子通道,藉此控制電流的變化,而達到訊號切換與放大的效果(如圖)。

戰爭結束後,蕭克利回到貝爾實驗室,把構想告訴量子物理博士巴丁和實作經驗豐富的布拉頓,他們也都認為這應該行得通,信心滿滿的開始進行實驗。然而他們試盡各種方法卻都沒有用,巴丁苦思許久後,終於在 1946 年想出問題就在於「表面態」(surface state)。

「表面態」障礙

簡單來說,就是矽晶體中,每個矽原子上下左右會被另外 4 個矽原子包圍,彼此共用價電子,就會有 4 個共用電子對,剛好填滿最外殼層所需的 8 個價電子,成為穩定狀態。而他們忽略了最表層的矽原子上方少了可提供價電子的矽原子,因此最外殼層沒有填滿,當電子被電場吸引到表面後,便填補進去,不再是自由電子,所以無法如他們期望的形成電子通道。

雖然知道為什麼,但無論他們怎樣試驗,就是無法打破表面態,最後只好放棄場效應電晶體這個構想。而在此同時,貝爾實驗室的專利律師也才發現,原來早在 1926 年,有位物理學家李連菲爾德 (Julius E. Lilienfeld) 就已經申請場效應電晶體的專利。不過他沒有做出實際成品,也未曾對外發表,這項設計就默默躺在專利局裡,二十幾年無人知曉。

等到 1955 年矽晶圓氧化層意外產生時,巴丁和蕭克利都已離開貝爾實驗室,結果利用此一發現打破表面態,做出場效應電晶體的竟是最令人意想不到的人。

來自埃及的局外人

發明熱氧化法與 MOSFET 的阿塔拉 (Mohamed M. Atalla)。圖片來源:wikipedia

阿塔拉 (Mohamed M. Atalla) 在埃及出生,在國內念完大學後才到美國留學,於 1949 年在普度大學取得機械工程的博士,隨即到貝爾實驗室上班。他原本負責研發用於電話交換機的電磁式繼電器,做了六年後,才於 1956 年轉而研究電晶體。貝爾實驗室人才濟濟,研究電晶體的都具有物理化學背景,所以沒有人特別留意這個念機械工程的人。

阿塔拉就憑著一股熱枕,自學半導體相關知識,其中表面態問題特別引起他的興趣。他很快想到矽晶圓表面的二氧化矽可以提供價電子給矽原子,最外殼層填滿後,被電場吸引上來的電子應該就會形成電子通道。不過要實現場效電晶體,二氧化矽薄膜必須控制在恰當厚度,才能兼顧降低表面態又不影響電場的作用。阿塔拉帶領兩個菜鳥著手研究,第二年就發明「熱氧化法」,成功控制二氧化矽薄膜的生長。

克服表面態,MOSFET 誕生

1959 年,另一位菜鳥姜大元 (Dawon Kahng) 加入阿塔拉的團隊,他也是在韓國念完大學才來美國,剛從俄亥俄州立大學取得電機博士。由於二氧化矽是絕緣體,姜大元直接將施加電場的金屬附著在上面,成功在當年 11 月就發明出 MOSFET,比蕭克利原始構想的場效應電晶體更易製造、體積更小。

發明 MOSFET 的姜大元。圖片來源:wikipedia

就這樣,物理學家與化學家都束手無策的表面態問題,最後竟由念機械工程的阿塔拉解決,而與他一起發明 MOSFET 的姜大元還是剛畢業的菜鳥,兩人又都是少數族裔,誰能想得到呢?

參考資料:wikipedia 相關條目。

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