1.1 集成電路發展歷程

1.1.1 晶體管的發明

晶體管是集成電路的基礎，在集成電路發展史中發揮了重要作用。晶體管是一種可以放大電子信號的半導體器件，其命名人是貝爾實驗室（Bell Telephone Laboratories）的皮爾遜（Gerald Pearson），其英文名來源于跨導和變阻器的英文縮寫組合。

歷史上第一個關于晶體管的專利，是由物理學家林費爾德（Julius Edgar Lilienfeld）于1925年10月22日在加拿大申請的［1］，但他并沒有發表過與該器件相關的論文，因此，該專利也沒有得到工業界的廣泛關注。

第一個晶體管是由貝爾實驗室的科學家們發明的［2］。在20世紀30年代，貝爾實驗室的科學家們嘗試將超高頻波應用于電話通信，而當時作為探測元件的真空管無法在高頻下工作，因此，他們開始探索半導體材料Si的特性。巴丁（John Bardeen）、布拉頓（Walter Houser Brattain）和肖克利（William Shockley）在貝爾實驗室發明了一種新的信號放大方法：在半導體探測器上增加第三個電極，用來控制通過Si的電流。該器件可以實現與真空管相同的放大作用，并且只需要極低的功耗和極小的器件尺寸。

最初，為了抑制Si的凝結過程，布拉頓在水中進行了實驗，意外地實現了很高的放大效果；但是在使用蒸餾水替代水后，觀察到的放大效果卻又變得很小。巴丁和布拉頓在此鼓舞下，又對不同的材料和條件進行了實驗，發現在Ge中可以實現更高的放大效果。但是，Ge只適用于極低頻率，不能滿足電話通信應用的需要。此后，他們嘗試用Ge氧化物代替液體進行實驗，又是一次意外的發現，當他們不小心去除氧化層后，實現了電壓放大效果，這是因為接觸電極穿透Ge后消除了表面電子的阻礙效果。1947年12月16日，布拉頓和巴丁實驗成功點接觸型Ge三極管，這是世界上第一個晶體管。

1956年，貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克利被授予諾貝爾物理學獎，以向“their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect”致敬［3］。此外，基于上述工作，巴丁建立了量子力學的重要分支——表面物理的研究。

肖克利等人也曾嘗試通過調制半導體的導電性能制造場效應控制的放大器件，但是由于表面態等問題而放棄。后來，貝爾實驗室的阿特拉（Mohamed Atalla）和康（Dawon Kahng）在1959年發明了金屬-氧化物-半導體（Metal-Oxide-Semiconductor, MOS）結構，促使場效應晶體管在集成電路制造中廣泛應用［4］。