1.1 集成电路发展历程

1.1.1 晶体管的发明

晶体管是集成电路的基础，在集成电路发展史中发挥了重要作用。晶体管是一种可以放大电子信号的半导体器件，其命名人是贝尔实验室（Bell Telephone Laboratories）的皮尔逊（Gerald Pearson），其英文名来源于跨导和变阻器的英文缩写组合。

历史上第一个关于晶体管的专利，是由物理学家林费尔德（Julius Edgar Lilienfeld）于1925年10月22日在加拿大申请的［1］，但他并没有发表过与该器件相关的论文，因此，该专利也没有得到工业界的广泛关注。

第一个晶体管是由贝尔实验室的科学家们发明的［2］。在20世纪30年代，贝尔实验室的科学家们尝试将超高频波应用于电话通信，而当时作为探测元件的真空管无法在高频下工作，因此，他们开始探索半导体材料Si的特性。巴丁（John Bardeen）、布拉顿（Walter Houser Brattain）和肖克利（William Shockley）在贝尔实验室发明了一种新的信号放大方法：在半导体探测器上增加第三个电极，用来控制通过Si的电流。该器件可以实现与真空管相同的放大作用，并且只需要极低的功耗和极小的器件尺寸。

最初，为了抑制Si的凝结过程，布拉顿在水中进行了实验，意外地实现了很高的放大效果；但是在使用蒸馏水替代水后，观察到的放大效果却又变得很小。巴丁和布拉顿在此鼓舞下，又对不同的材料和条件进行了实验，发现在Ge中可以实现更高的放大效果。但是，Ge只适用于极低频率，不能满足电话通信应用的需要。此后，他们尝试用Ge氧化物代替液体进行实验，又是一次意外的发现，当他们不小心去除氧化层后，实现了电压放大效果，这是因为接触电极穿透Ge后消除了表面电子的阻碍效果。1947年12月16日，布拉顿和巴丁实验成功点接触型Ge三极管，这是世界上第一个晶体管。

1956年，贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克利被授予诺贝尔物理学奖，以向“their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect”致敬［3］。此外，基于上述工作，巴丁建立了量子力学的重要分支——表面物理的研究。

肖克利等人也曾尝试通过调制半导体的导电性能制造场效应控制的放大器件，但是由于表面态等问题而放弃。后来，贝尔实验室的阿特拉（Mohamed Atalla）和康（Dawon Kahng）在1959年发明了金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-Semiconductor, MOS）结构，促使场效应晶体管在集成电路制造中广泛应用［4］。