演讲者的话既简洁又激动人心。 “与我的同事们告诉你的硅晶体管前景黯淡的说法相反，”他用实际的声音说道，“我的口袋里正好有一些硅晶体管。”
硅晶体管？ 他说的是硅晶体管吗？
是的，这是当时世界上为数不多的。 那是1954年5月10日。
在俄亥俄州代顿举行的无线电工程师学会（IRE）机载电子全国会议上，一场关于硅器件的漫长而平淡的会议结束了。 在那里，一大群工程师和科学家哀叹开发并最终制造硅晶体管所面临的严峻挑战。 在昏昏欲睡的人群中，分散的与会者打着哈欠，看了看手表，打着瞌睡。但那是以前的事了 戈登·蒂尔 德州仪器公司（Texas Instruments Inc.）的总裁做出了令人惊讶的宣布，惊讶地大吃一惊。
“你是说你有硅晶体管在生产吗？”一位愣住了的听众问道，当时观众席上已经排了10排了，现在开始明显活跃起来。
“是的，我们有三种类型的硅晶体管在生产中，”蒂尔回答道，从口袋里掏出几只，让观众普遍感到惊讶和羡慕。 然后，他用一种奇特但有效的炫目方式，启动了一台唱片播放器，开始播放阿提·肖的大频段热门歌曲《山峰岭大道》的摇摆声。在锗晶体管的放大下，音乐立即消失，蒂尔将其中一个放进一杯热油中。 但是当他重复他的演示时 晶体管 相反，音乐一直在不停地播放。
演讲结束时，蒂尔提到，他关于这个主题的论文副本，标题为“硅和锗材料和器件的一些最新发展”，无伤大雅，就在后门附近。 一群人蜂拥而回，抢走了他们，使得会议的最后一位演讲者没有观众。 几分钟后，有人无意中听到雷声公司的一名工程师在大厅对着电话喊道：“他们在德克萨斯州搞到了硅晶体管！”
当时，硅晶体管 这似乎是新泽西州默里山贝尔电话实验室在晶体管开发方面首次取得的重大突破之一，物理学家约翰·巴丁和沃尔特·布拉坦曾在那里 发明了晶体管 1947年12月。 他们的设备有两个间距很近的金属点，巧妙地插入锗表面，因此得名“点控制”晶体管。 他们称其中一个点为“发射极”，另一个点称为“收集器”，而第三个接触点，即所谓的“基底”，被应用于锗银的背面。 发射极上的正偏压增强了集电极点下方锗的导电性，放大了从基底流向它的输出电流。
照片：左：朗讯科技公司/贝尔实验室； 右：德克萨斯仪器 晶体管第一： 贝尔实验室的锗结晶体管制造于1950年（左图）。 四年后，德州仪器公司推出了商用硅晶体管。 六个月后，贝尔实验室在1948年6月30日于纽约市举行的新闻发布会上宣布了这项重大发明，随后几年，贝尔实验室取得了一系列长期的第一。 其主要进展之一是所谓的结晶体管（见照片，“晶体管第一”），由威廉·肖克利（William Shockley）于去年1月首次构思，他领导了包括巴丁（Bardeen）和布拉坦（Brattain）在内的小组。 他认为，通过消除脆弱的点接触，而不是将发射极、基极和集电极形成具有三层不同的单个半导体夹层，可以实现更好的晶体管性能和可靠性[见侧栏，“ 晶体管101：结晶体管 “].但部分原因是早期结晶体管的频率响应不如点控制器件，贝尔实验室推迟了一年多才宣布这一成就，直到1951年7月4日。 五年后，巴丁、布拉坦和肖克利因发明了这种革命性的固态放大器而分享了诺贝尔奖。
他们杰出的开创性工作使晶体管随后几年的发展黯然失色，其中包括20世纪50年代中期从锗到硅的关键转变。 事实证明，半导体材料的这种转变对该器件作为几乎所有当今集成电路的基本构件的辉煌未来至关重要。 简单地说，锗无法胜任这项任务。
这种材料确实有优点：它的反应性比硅低得多，而且由于它的熔化温度较低，使用起来更容易。 电流载流子（电子和空穴）流经锗的速度比流经硅的速度更快，从而导致更高的频率响应。 但锗也有严重的局限性。 例如，它具有较低的带隙（0.67电子伏特，而硅为1.12电子伏特），这是将电子从原子中敲到导带中所需的能量。 因此，由这种银色元素制成的晶体管具有更高的泄漏电流：随着温度的升高，其精细平衡的结实际上被大量自由电子淹没。 在大约75°C以上，锗晶体管完全停止工作。 事实证明，这些限制对无线电制造商，尤其是武装部队来说是一件麻烦事，因为他们需要在极端条件下运行稳定可靠的设备。
在贝尔实验室，这些担忧得到了前所未有的重视，贝尔实验室在20世纪50年代早期引领了硅半导体研究。 1951年2月，Teal在其化学物理部门与技术员Ernie Buehler合作，生长了硅单晶，并用微小杂质“掺杂”它们以制造固态二极管，一年后公布了结果。 他向熔融硅中添加特定杂质原子，以改变从中提取的晶体的电学性质。例如，周期表第五列中的元素——砷或锑——在四面体晶体结构中产生过多的电子，从而产生 n个 -类型硅。 第三列中的元素，如硼或镓，会产生电子亏损（通常被视为空穴过多），从而产生 第页 -类型硅。 通过首先向熔融硅中添加一种杂质，然后将另一种杂质缓慢地从中取出晶体，Teal和Buehler在两种硅之间形成了称为pn结的过渡区。 当电势通过两端的电触点施加在这些连接处的小条上时，它们起到二极管的作用。
与此同时，卡尔文·富勒（Calvin Fuller）正在附近的一个实验室开始实验，将热气体中的杂质原子扩散到锗或硅表面，这是集成电路发展道路上的主要技术里程碑之一。 到1953年12月，富勒取得了巨大的成功，肖克利开始组建一个新的研究团队，试图利用这项技术制造硅晶体管。 1954年初，Fuller和Gerald Pearson通过将一薄层硼原子扩散到 n个 -类型硅，使孔丰富 第页 -它的表面上有一层。 当阳光照射在这些大面积二极管上时，它们会产生大量电流。 4月25日，贝尔实验室大肆宣扬这一成就为“太阳能电池”，这是第一个以接近10%的效率运行的光伏电池。
到那时，德州仪器已经制造出第一个硅晶体管 -在Teal的总指挥下。 回到贝尔实验室，他开始怀念家乡得克萨斯州，在那里，他在达拉斯南部长大，是一名虔诚的浸信会教徒，并在韦科的贝勒大学攻读数学和化学本科。 泰尔在新泽西州默里山焦躁不安，希望承担更多责任，他在年回应了一则广告 《纽约时报》 他会见了德州仪器副总裁Pat Haggerty，后者向他提供了这个职位。 1953年1月1日，他开始在那里工作，带来了他在生长和掺杂半导体晶体方面的丰富专业知识。
在哈格蒂（Haggerty）的领导下，德州仪器（TI）正积极进军军事电子领域，然后随着冷战的全面展开而蓬勃发展。 达拉斯公司成立于20世纪30年代，前身是地球物理服务公司，为石油工业开发和生产反射地震仪。 在第二次世界大战期间，它与美国海军签订了一份合同，提供机载潜艇探测设备； 之后，该公司继续扩大军事电子领域的业务，于1951年改组为德克萨斯仪器公司（Texas Instruments Inc.）。 到Teal到来时，该公司已有近1800名员工，年销售额约为2500万美元。
“他们在德克萨斯州搞到了硅晶体管！”
该公司还在工程师马克·谢泼德（Mark Shepherd）的指导下开始制造所谓的生长结锗晶体管。 他参加了1951年贝尔实验室与哈格蒂（Haggerty）举办的晶体管技术研讨会，在那里他听取了关于半导体晶体生长的Teal研讨会。 1952年初，在哈格蒂的哄骗和哄骗下，德州仪器以25000美元的价格从美国电话电报公司（AT&T）的制造子公司西部电气公司（Western Electric Co.）购买了生产晶体管的专利许可证。 到那年年底，它已经在Shepherd的领导下生产和销售这些产品。
第二年年初，蒂尔回到达拉斯，组织TI的研究部门。 哈格蒂聘请他组建了一支由科学家和工程师组成的团队，该团队能够产生足够的想法和技术，使公司在飞速发展的半导体行业保持领先地位。 蒂尔接受了挑战。 他性格内向，很难共事，但也聪明固执。 这些品质对他在贝尔实验室（Bell Labs）的工作很有帮助，他在20世纪40年代末在贝尔实验室从事晶体生长研究，在没有管理层支持的情况下，他在几个小时后坚持不懈地工作。 也许最重要的是，这项开创性的研究使他在这个初出茅庐的行业中成为了一个小名人，这对于他必须从头创建的团队雇佣聪明的年轻人至关重要。 谢泼德在1993年的一次采访中承认：“没有他，我们不可能吸引到这么多人。”。 “那时我们有一些非常杰出的科学家。”
威利斯·阿德科克（Willis Adcock）是他的新员工之一，就像蒂尔（Teal）一样，他是罗得岛州普罗维登斯布朗大学（Brown University）的物理化学家，拥有博士学位。他曾在俄克拉荷马州的一家天然气公司工作，并于1953年初加入德州仪器公司。 据蒂尔介绍，阿德科克开始领导一个小型研究小组，致力于制造“符合军事环境条件的生长结硅单晶和小尺寸晶体管”，他将此视为新研究部门的主要短期目标。
当时这不是一件容易的事。 由于熔融温度高达1415°C，反应性强，从中提取晶体的熔融硅与几乎任何能够容纳它的坩埚都会发生相互作用。甚至熔融石英也会与熔体缓慢反应，使其受到氧气和其他杂质的污染，这些杂质随后会进入硅晶体， 降低其电气性能。 供应商提供的大多数硅样品都含有大量杂质。
锗可以通过区域精炼技术进行提纯，从而将杂质减少到约十亿分之一，但与锗不同的是，当时可用的最纯硅的含量要高得多。 虽然硅pn结的制造已有十多年的历史，但自1940年罗素·欧在贝尔实验室首次取得这一成就以来，硅pn连接已经取得了成功 非营利网络 或 pnp公司 这种半导体材料的结晶体管要困难得多。 [参见“ The Origins of The pn码 接合 ,” IEEE综览 , 1997年6月。]主要问题是所谓少数载流子（电子 第页 -类型或孔 n个 -类型层）。 电子很容易与基底内任何杂质中心的空穴“重新结合”。 因此，为了在硅中获得足够的电流增益或放大，在跨越发射极和集电极之间这座令人畏惧的桥梁时，这些少数载流子中能够存活的太少了。 除了努力提纯硅外，解决这个问题的唯一方法是使基底层变得极为薄，这样少数载流子就有机会从一侧到达另一侧。
Adcock、Teal和他们的团队花了一年多的时间来解决这些问题。 然后，在1954年4月，他们用从杜邦公司以每磅500美元的价格购买的一种特殊的高纯度硅，成功地生长出一种合适的 非营利网络 发射极区域经过精心掺杂以提高电流增益和 第页 -键入厚度约为1密耳（25微米）的基层。 4月14日上午，阿德科克的团队从这块水晶上切下半英寸（1.27厘米）的长条并连接上电触点，准备对其进行测试。不久，哈格蒂接到了蒂尔的一个激动人心的电话，敦促他前来观看演示。 几分钟后，哈格蒂在1979年德州仪器25周年庆典上回忆道：“我当时正在观察第一个成人结晶体管中的晶体管动作。”。 这是这家初露头角的半导体公司的决定性时刻。 意识到另一家公司可能也会取得同样的突破，蒂尔赶紧写了一篇论文，在代顿会议上作了介绍。 当月晚些时候贝尔实验室宣布推出硅太阳能电池后，他屏住了呼吸。
事实上，另一家公司， 几个月前，他已经制造出了一个可以工作的硅晶体管。 1954年1月， 莫里斯·塔南鲍姆 在贝尔实验室担任肖克利研究小组成员时做了一个。 但这家全球占主导地位的半导体公司对这一成就保密，而这位得克萨斯州的新贵则急于宣布这一成就。
塔南鲍姆于1952年6月来到贝尔实验室，此前他在巴尔的摩的约翰霍普金斯大学和新泽西的普林斯顿大学获得了化学和物理化学学位。 他从化学物理系开始，生长各种各样的大单晶 半导体 并测试其性能。 1953年末，肖克利邀请他加入正在组建的团队，推动硅晶体管的发展。 塔南鲍姆继续与蒂尔的前技术员比勒合作，他形容比勒是“制造设备和生长半导体晶体的大师级工匠”
布勒正在研究一种称为速率增长的技术。 杂质原子（如镓和锑）从熔体中并入晶体的速度在很大程度上取决于晶体的生长速度，即从熔体中拉出的速度。 这两种杂质同时存在于熔体中，但其中一种结晶出来的速度取决于拉速。 这一过程使该团队能够制作出更窄的基底层，厚度仅为13至25微米（µm），这对于限制少数载流子的灭绝至关重要。 塔南鲍姆从一块布勒用杜邦公司的特殊样品生长的高纯度硅晶体上切下半英寸长的棒子； 然后，他将一根铝导线连接到狭窄的基底层上，并小心地重新加热硅以恢复该层的 第页 -类型行为。 1954年1月26日，根据他的日志，他获得了足够高的电子电流，因此在 非营利网络 硅晶体管。 “我相信这是有史以来制造的第一个硅晶体管，”塔南鲍姆说，他在半个世纪后的一次采访中享受着这一时刻。
“当我们制造这些第一代[硅]晶体管时，”他继续说道，“我们曾考虑为该工艺申请专利，但出于两个原因，我们决定不值得努力。”首先，其他人已经开发并使用了类似的技术。 他真的不喜欢这个已经被通用电气公司（General Electric Co.）申请专利的增长率过程。“这是不可控的，”他补充道。 “从制造业的角度来看，它看起来并不吸引人。”
聪明、固执、内向的戈登·蒂尔（Gordon Teal）迎接了挑战。
当时，肖克利的团队正致力于将富勒开创的新扩散工艺应用于锗和硅晶体管的制造。 扩散似乎更有希望——事实证明，它实际上更容易控制，可以产生更窄的基底层，只有微米厚，因此晶体管工作频率更高。 1954年7月 查尔斯·李 [PDF]在贝尔实验室利用扩散技术成功制造了锗晶体管，工作频率高达500兆赫。 1955年3月17日，Tanenbaum率先在硅中复制了该器件 非营利网络 工作频率高达120 MHz的晶体管。
因此，人们对他开发的速率增长型硅晶体管几乎没有热情，贝尔实验室也没有努力宣传这一成就。 Tanenbaum于1954年6月在IRE固态设备研究会议上发表了他的研究结果。 他回忆道，在随后的问答环节中，蒂尔提到了TI所做的类似工作，但对具体细节持谨慎态度。 那年晚些时候，塔南鲍姆向美国国家科学院提交了一篇关于他对速率增长硅晶体管的研究的论文 应用物理杂志， 最终于1955年6月出版。
那时，半导体行业正处于又一次根本性转变的边缘。 在同一个月举行的1955年固态器件研究会议上，很少有人提到速率生长晶体管。 在场的每个人都在兴奋地谈论最新的突破：扩散。 肖克利准备离开贝尔实验室，创办自己的半导体公司，专注于硅晶体管。
毫不奇怪，硅晶体管 被发明了两次，两次看似独立的成就相隔几个月。 到1954年，硅提纯和晶体生长的关键基础技术达到了一个阶段，考虑到市场需求，硅晶体管可能是不可避免的，而这两个公司的市场需求截然不同。 德州仪器专注于军用晶体管市场，以替代体积更大、更脆弱的真空管。 美国武装部队是其最大的客户之一，他们愿意为在各种条件下性能一致、完美的晶体管支付巨额溢价。 贝尔实验室最大的“客户”是美国电话电报公司的贝尔电话系统，该系统需要坚固耐用的半导体开关，这些开关在本应关闭时才真正“关闭”。由于漏电流高，尤其是在高温下，锗晶体管根本无法满足这两个重要客户的需求。
同样显而易见的是，这两项成就有着共同的技术根源，可以追溯到1949年至1952年，Teal和Buehler在贝尔实验室进行的开创性晶体生长研究。 Teal将这一专业知识带到了TI，尽管可能不是Buehler后来开发的速率增长技术。 杜邦公司发现高纯度“半导体颗粒”硅的市场不断扩大，并于1954年开始提供这种材料的小样本，这两个集团都从中受益匪浅。 在这两种情况下，通向硅晶体管的道路都必须穿过一个由这种元素制成的窄而高纯度的电桥。
在20世纪50年代初贝尔实验室发生的所有其他事情中，第一个硅晶体管似乎还不够重要，不值得像早期晶体管和太阳能电池那样引起公众的关注。 当时，管理人员可能急切地期待着他们认为真正的突破：使用工作频率超过100MHz的扩散制造的晶体管。 过度自信也可能起到了一定作用。 贝尔实验室（Bell Labs）在早期取得突破性进展后，习惯性地保持沉默数月，从而允许其科学家和工程师在公开之前找出大部分可申请专利的结果。
无论如何，这一延误让初出茅庐的德克萨斯仪器公司（Texas Instruments）跃跃欲试，在这场比赛中取得了胜利。 它是第一家大规模生产硅晶体管的公司。 由于其远见卓识和进取精神，德州仪器在未来几年基本上独占了硅晶体管市场，并开始了成为我们今天所知的国际巨头的道路。
