天線與晶體管發(fā)展歷程

摘要：天線與晶體管是人類歷史上兩項(xiàng)最偉大的發(fā)明。天線開啟了無線電的時(shí)代，晶體管開辟了電子學(xué)的新世界。二者相結(jié)合發(fā)展了無線電電子學(xué)這一門綜合性學(xué)科，奠定了現(xiàn)代無線通信、探測、感知、成像的硬件基礎(chǔ)。本文嘗試從硬件“器”的視角出發(fā)，以類比的方式首次論述作為“器”的天線與晶體管發(fā)展歷程中那些具有里程碑意義的工作。希望讀者能夠通過閱讀本文，對關(guān)注的“器”有新的認(rèn)識(shí)，對從事的研究有所啟迪。

1. 引言

無線電電子學(xué)作為一門學(xué)問有“道”、“術(shù)”、“器”、“用”四個(gè)層面。以天線為例：大“道”是麥克斯韋電磁場理論，小“道”是朱蘭成天線理論與謝昆諾夫天線理論等；“術(shù)”含設(shè)計(jì)與仿真、材料與工藝、表征與測試等；“器” 指有形的構(gòu)件，既是“道”的結(jié)晶，也是“術(shù)”的物化，更是深化“道”與簡化“術(shù)”的基礎(chǔ)；“用”有多種，移動(dòng)通信是最典型的“用”，有它，可以讓你擺脫線的束縛，無它，讓你現(xiàn)在難以想象。 本文從“器”的層面首次類比論述天線與晶體管。 最早的天線是德國物理學(xué)家赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）于1887年發(fā)明的偶極子與環(huán)形天線。赫茲用偶極子與環(huán)形天線成功地驗(yàn)證了麥克斯韋電磁場理論及發(fā)現(xiàn)了電磁波的存在1。作者去年曾撰文將天線的歷史劃分為創(chuàng)世紀(jì)、大躍進(jìn)、添新丁三個(gè)階段2。每個(gè)階段都有新天線問世，成為經(jīng)典的電天線有創(chuàng)世紀(jì)階段1895年的單極子天線3、大躍進(jìn)階段1924年的八木-宇田天線4、添新丁階段1972年的微帶天線5。

單極子天線發(fā)明者與相控陣發(fā)明者為人類帶來了無線電，所以于1909年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 最早的晶體管是美國理論物理學(xué)家巴丁（John Bardeen）與實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家布拉頓（Walter Houser Brattain）于1947年發(fā)明的點(diǎn)接觸式晶體管。巴丁與布拉頓用點(diǎn)接觸式晶體管成功地驗(yàn)證了固態(tài)電子學(xué)理論，實(shí)現(xiàn)了對微弱電信號(hào)的有效放大6。點(diǎn)接觸式晶體管的發(fā)明對巴丁與布拉頓的頂頭上司物理學(xué)家肖克利（William Bradford Shockley）觸動(dòng)很大，促使肖克利于1948年閉門構(gòu)思出雙極性結(jié)型晶體管7。肖克利的雙極性結(jié)型晶體管，因其良好的性能與簡單可靠的結(jié)構(gòu)，迅速地取代了巴丁與布拉頓的點(diǎn)接觸式晶體管，并占據(jù)晶體管主導(dǎo)地位很多年，直到被后來發(fā)明的場效應(yīng)晶體管擠下了神壇8。晶體管的發(fā)明也為集成電路于1958年誕生奠定了基礎(chǔ)9，為人類進(jìn)入電子與信息時(shí)代鋪平了道路。因此，上述三位晶體管發(fā)明者于1956年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 晶體管是集成電路與系統(tǒng)的核心，天線是實(shí)現(xiàn)真正無線集成系統(tǒng)的最后一個(gè)瓶頸。作者專研集成天線，很自然地會(huì)聯(lián)想到集成晶體管。作者深知晶體管與天線工作機(jī)理風(fēng)馬牛不相及，類比論述它們，初想有點(diǎn)不可思議，深究會(huì)明白潛在的意義。

2. 偶極子天線與雙極性結(jié)型晶體管

眾所周知，偶極子天線（Dipole Antenna）是赫茲發(fā)明的。但是，很少人知道赫茲本人從來沒用過天線這個(gè)詞稱呼天線，赫茲用導(dǎo)體或電路來稱呼天線。赫茲不認(rèn)為天線有什么實(shí)用價(jià)值。赫茲關(guān)注的是物理學(xué)中波的輻射、振蕩、反射、折射、極化等。圖1是赫茲發(fā)明的并用于驗(yàn)證麥克斯偉電磁場理論及發(fā)現(xiàn)電磁波存在的偶極子天線實(shí)物照片10。如圖所示，偶極子天線由兩個(gè)相同的導(dǎo)體組成，每個(gè)線狀導(dǎo)體的內(nèi)端接個(gè)小球外端接個(gè)大球。外端的大球?yàn)殡姾商峁﹤€(gè)容身之處，可以調(diào)整天線的諧振頻率。

雙極性結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor）的發(fā)明，是肖克利自尊心受損與嫉妒心升起的產(chǎn)物。肖克利作為巴丁與布拉頓的頂頭上司，因?yàn)槊譀]有出現(xiàn)在點(diǎn)接觸式晶體管的發(fā)明專利上深感挫折與窩火。肖克利很不認(rèn)同巴丁對晶體管工作原理的解釋，他聲稱帶正電的空穴也可以穿透半導(dǎo)體材料，而不僅僅是沿著表面層滴流，從而實(shí)現(xiàn)少數(shù)載流子的注入。連同帶負(fù)電荷的電子所形成的多數(shù)載流子流動(dòng)，肖克利完美地解釋了雙極結(jié)型晶體管的工作機(jī)理。圖2是肖克利發(fā)明的雙極性結(jié)型晶體管實(shí)物照片7。從左到右是p型發(fā)射極、n型基極、p型集電極。雙極性結(jié)型晶體管的發(fā)明標(biāo)志著真正晶體管時(shí)代的來臨。

?

偶極子天線加電受到激勵(lì)后，兩根導(dǎo)體中的自由電荷（電子）會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)成為電流，電流在兩根導(dǎo)體中流向相同，時(shí)變的電流就產(chǎn)生了輻射，在其周圍空中激發(fā)出電磁波。或者，因?yàn)槭苤朴趦筛鶎?dǎo)體的有限長度，自由電荷的加速度在導(dǎo)體端口不連續(xù)處被迫改變，結(jié)果就產(chǎn)生了電磁波的輻射。 雙極性結(jié)型晶體管加載合適的偏置電壓后，少數(shù)載流子形成的小電流在基極和發(fā)射極之間流動(dòng)，這反過來可以用來控制多數(shù)載流子在發(fā)射極與集電極間形成大電流的流動(dòng)。發(fā)射極與集電極中大電流的流向相同，就如同偶極子天線兩根導(dǎo)體中流向相同一樣。因?yàn)殡p極性結(jié)型晶體管的電尺度非常非常小，所以輻射可以忽略不計(jì)。但是，如果連接發(fā)射極與集電極的導(dǎo)體引線達(dá)到一定的電尺度，雙極性結(jié)型晶體管有時(shí)就會(huì)無意成為一個(gè)有源偶極子天線。 ”偶“與”雙“兩個(gè)中文字既恰當(dāng)?shù)刈g出了“Di-”與“Bi-”兩個(gè)英文詞根所表達(dá)的意思，也貼切地表述了偶極子天線與雙極性結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)特征。

3. 單極子天線與點(diǎn)接觸式晶體管

天線的實(shí)用價(jià)值因馬可尼（Guglielmo Giovanni Maria Marconi）無線電得到充分的展現(xiàn)。馬可尼有關(guān)無線電系統(tǒng)的研發(fā)曾受到當(dāng)時(shí)英國理論學(xué)界的小看。他們認(rèn)為馬可尼并沒有發(fā)現(xiàn)任何新的和革命性的原理，而是改進(jìn)了一系列已有的發(fā)現(xiàn)與成果，并將它們進(jìn)行整合，適應(yīng)他的無線電系統(tǒng)，使其在商業(yè)上取得成功。比如，馬可尼對赫茲發(fā)明的天線做出的一個(gè)重要改進(jìn)就是引入“地”的概念，將差分偶極子天線改成了單端口單極子天線（Monopole Antenna）。單極子天線更加容易架設(shè)在大地之上，有利于遠(yuǎn)距離無線覆蓋。圖3是馬可尼發(fā)明的單極子天線于1906年立在英國倫敦街頭提供無線電報(bào)服務(wù)的實(shí)物照片11。馬可尼曾于1933年造訪我國，發(fā)表演講并表示12，“貴國地大民眾，無線電最有用處，望貴國人士深明此意，聯(lián)絡(luò)民眾，交換情感，可造成一強(qiáng)大無匹之國家。”

?

點(diǎn)接觸式晶體管（Point Contact Transistor）是巴丁與布拉頓才華和靈感的產(chǎn)物。點(diǎn)接觸式晶體管如圖3所示7，是圍繞一塊拇指大小、帶有過多負(fù)電荷電子的n型鍺板構(gòu)建的。這塊鍺板經(jīng)過處理，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常薄的帶有過多正電荷的p型表面層。這些正電荷稱為“空穴”。它們實(shí)際上是在半導(dǎo)體原子之間移動(dòng)的電子留下的空位。鍺板底部與接地的電極連接，形成了晶體管的基極。接觸表面的兩條金箔形成了另外兩個(gè)電極，被稱為“發(fā)射極”和“集電極”。當(dāng)加載合適的偏置電壓，電流開始從基極“地”流入集電極，且比發(fā)射極流入到基極“地”的電流大得多。發(fā)射極電流的微小變化即可控制集電極電流的巨大變化，從而實(shí)現(xiàn)對微弱電信號(hào)的有效放大。

?

單極子天線直立在大地之上，其中的電流流向垂直于“地”。點(diǎn)接觸式晶體管的大電流是從基極也就是“地”近乎垂直地流入到集電極。“垂直”兩字反映了單極子天線與點(diǎn)接觸式晶體管的共性。

4. 八木-宇田天線與達(dá)靈頓晶體管

八木-宇田天線由宇田太郎與八木秀次于1924年在日本發(fā)明。八木-宇田天線因八木用英文撰文于1928年在美國發(fā)表而引起西方關(guān)注。八木與宇田是日本東北大學(xué)的同事，八木當(dāng)教授時(shí)，宇田是講師。圖5是1930年拍攝的八木-宇田天線的實(shí)物照片13。如圖所示，八木-宇田天線是由一個(gè)有源驅(qū)動(dòng)單元、一個(gè)無源反射單元和若干個(gè)無源導(dǎo)向單元平行排列而成的端射式天線。每個(gè)單元可看作為一個(gè)偶極子天線，所以八木-宇田天線有較單個(gè)偶極子天線更高的增益，成為方向性更好的定向天線。當(dāng)八木-宇田天線的單元個(gè)數(shù)N給定后，增益可以由如下公式估算：

G = 1.66 × N.?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

八木-宇田天線如果再配上仰角和方位旋轉(zhuǎn)控制裝置，更可以與包括空間飛行器在內(nèi)的各個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)無線聯(lián)絡(luò)，這是水平架設(shè)的偶極子天線或直立架設(shè)的單極子天線做不到的。作者去年著有 “八木與準(zhǔn)八木天線”一文14，總結(jié)了八木-宇田天線一個(gè)世紀(jì)以來的發(fā)展，文章會(huì)擇機(jī)發(fā)表。

達(dá)靈頓晶體管是由美國物理學(xué)家達(dá)靈頓（Sidney Darlington ）在1952年發(fā)明的15。達(dá)靈頓晶體管由兩個(gè)（甚至多個(gè)）雙極性結(jié)型晶體管組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過這樣的結(jié)構(gòu)，經(jīng)第一個(gè)雙極性晶體管放大的電流可以進(jìn)一步被放大。這樣的結(jié)構(gòu)可以提供一個(gè)比其中任意一個(gè)晶體管高得多的電流增益。當(dāng)晶體管個(gè)數(shù)N給定后，增益可以由如下公式估算:

G ≈G1 × G2 ×… GN.?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

如果每個(gè)晶體管的電流增益一樣，上述公式簡化為: G ≈GN.? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

最常用的達(dá)靈頓晶體管N = 2。圖6所示的是達(dá)靈頓晶體管電路符號(hào)。它是由兩個(gè)npn雙極性結(jié)型晶體管電路符號(hào)合成而來。

?????????

圖6 達(dá)靈頓晶體管電路符號(hào)

八木-宇田天線與達(dá)靈頓晶體管一個(gè)共同點(diǎn)就是通過增加單元數(shù)量來獲得更高的增益。

5. 微帶天線與場效應(yīng)晶體管

微帶天線源自于美國天線專家E. V. Byron, R. E. Munson, J. Q. Howell 1970年代初的工作。尤其是Munson的工作奠定了微帶天線的基礎(chǔ)，推動(dòng)了微帶天線產(chǎn)業(yè)的興起，也為他贏得了微帶天線發(fā)明者的美譽(yù)5。圖7是Howell 1973年拍攝的微帶天線實(shí)物照片16。微帶天線是印刷在接地介質(zhì)基板上的金屬輻射片。微帶天線性能一般，但是，它具有結(jié)構(gòu)簡單，易于量產(chǎn)，適合集成，可以共形等優(yōu)點(diǎn)。微帶天線順應(yīng)了無線系統(tǒng)發(fā)展的潮流，標(biāo)志著二維平面天線時(shí)代的來臨。

金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）是由埃及裔美國物理學(xué)家馬丁阿特拉（Martin Atalla）與韓國裔美國物理學(xué)家姜大元（Dawon Kahng）于1959年合作發(fā)明的。圖8是1964年拍攝的第一個(gè)商用MOS管照片17。如圖所示，從左到右是源極、柵極、漏極。早期的MOS管，溝道長度約在十個(gè)微米的等級。但是到了今日溝道長度約在幾個(gè)納米的等級。溝道長度減少，讓溝道的等效電阻也減少，可以讓更多電流通過。MOS管尺寸變小意味著柵極面積減少，可以降低寄生的柵極電容，使開關(guān)的速度更快，可以提高集成度，降低功耗。

?

微帶天線最重要的一個(gè)應(yīng)用就是作為相控陣的輻射單元，為了降低單元之間的互耦，在微帶天線單元中引入背腔是一個(gè)有效的辦法。作者注意到場效應(yīng)晶體管在發(fā)展過程中，為了適應(yīng)射頻集成電路的發(fā)展，增強(qiáng)場效應(yīng)晶體管之間的隔離，引入了深 n 阱結(jié)。微帶天線的背腔與場效應(yīng)晶體管的深 n 阱結(jié)有著異曲同工之妙。

6. 互補(bǔ)天線與互補(bǔ)場效應(yīng)晶體管

互補(bǔ)天線的思想最初來源于英國物理學(xué)家布克（Henry George Booker）于1946年發(fā)表的文章18。自互補(bǔ)天線由日本東北大學(xué)宇田教授的研修生蟲明康人于1948年發(fā)明。自互補(bǔ)天線結(jié)構(gòu)上要求磁天線（縫隙）的形狀與其互補(bǔ)的電天線的形狀完全相同。自互補(bǔ)天線的輸入阻抗為周圍介質(zhì)本征阻抗的一半。自互補(bǔ)天線的輸入阻抗總是恒定的，與激勵(lì)源的頻率無關(guān)。圖9是一個(gè)自互補(bǔ)天線的示意圖19。深灰色區(qū)域是兩片金屬，代表著電天線；兩片金屬中間形成的縫隙形成磁天線。電天線與磁天線形成自互補(bǔ)天線。

?

互補(bǔ)場效應(yīng)晶體管（Complementary MOSFET）是指在硅質(zhì)晶圓上制出n-型 場效應(yīng)晶體管（NMOS）和p-型 場效應(yīng)晶體管（PMOS）的基本器件，由于NMOS與PMOS在物理特性上為互補(bǔ)性，因此被稱為互補(bǔ)場效應(yīng)晶體管20。圖10是互補(bǔ)場效應(yīng)晶體管的電路符號(hào)。制造互補(bǔ)場效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體技術(shù)稱之為CMOS工藝。該工藝由美國半導(dǎo)體技術(shù)專家Frank Wanlass與華裔美國半導(dǎo)體技術(shù)專家薩支唐1963年合作發(fā)明。薩支唐是出生在北京的蒙古族人，祖籍福建省，曾任廈門大學(xué)榮譽(yù)教授。作者注意到點(diǎn)接觸式晶體管發(fā)明人之一布拉頓于1902年出生在福建廈門，一歲后由母親帶會(huì)美國。CMOS工藝是現(xiàn)代集成電路制造的主流工藝。

圖10 互補(bǔ)場效應(yīng)晶體管電路符號(hào)

7. 微凸天線與鰭式場效應(yīng)晶體管

微凸天線 （Microbump Antennas）是一個(gè)全新天線體系的正式名稱21。微凸天線的別稱是凸點(diǎn)天線 （Bump Antennas）。微凸天線所需要的金屬材料是非常普通的，比如錫-銀-銅（Sn-Ag-Cu）合金與銅。微凸天線的一個(gè)重要優(yōu)勢就是可以用更加簡化的標(biāo)準(zhǔn)凸塊工藝來大規(guī)模生產(chǎn)。圖11是去年12月12號(hào)拍攝的工作在300 GHz片上微凸天線與微帶天線實(shí)物顯微照片21。實(shí)測驗(yàn)證了片上微凸天線的所有性能指標(biāo)都遠(yuǎn)優(yōu)于片上微帶天線。微凸天線優(yōu)良的性能在于巧妙地引入了微球電磁模式。

很顯然，微凸天線突破了微帶天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的局限，標(biāo)志著印刷和集成天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從二維平面向三維立體的重要范式轉(zhuǎn)變。當(dāng)工作頻率從微波上升到毫米波，尤其是到太赫磁頻段，這一轉(zhuǎn)變是順其自然與合乎邏輯的發(fā)展。類似的范式轉(zhuǎn)變，近年來也發(fā)生在半導(dǎo)體領(lǐng)域。在微電子時(shí)代二維平面場效應(yīng)晶體管是主流，到納電子時(shí)代三維立體場效應(yīng)晶體管（比如鰭式場效應(yīng)晶體管FinFET）唱主角22。圖12是鰭式場效應(yīng)晶體管實(shí)物顯微照片。鰭式場效應(yīng)晶體管由華裔美國半導(dǎo)體專家加州大學(xué)伯克利分校胡正明教授課題組發(fā)明。胡正明教授是世界電氣電子工程學(xué)界最高獎(jiǎng)勵(lì)I(lǐng)EEE榮譽(yù)獎(jiǎng)?wù)拢↖EEE Medal of Honor）獲得者。胡正明教授在接受IEEE科技縱覽雜志（IEEE Spectrum）專訪時(shí)對采訪者談到：鰭式場效應(yīng)晶體管由他的學(xué)生黃雪玨（Xuejue “Cathy” Huang）制作成功。這里我也需要強(qiáng)調(diào)，微凸天線設(shè)計(jì)與流片由作者的學(xué)生鄧天偉完成，測試由作者的學(xué)生鄭子陽完成。鄭子陽測試完成后曾語音告訴我， “老師，這是我見到過的最精美的如工藝品般的天線” 。對此，我深表贊同。

8. 結(jié)論與展望

本文以類比的方式首次論述了作為“器”的天線與晶體管發(fā)展歷程中那些具有里程碑意義的工作。類比會(huì)發(fā)現(xiàn)，盡管天線與晶體管工作機(jī)理完全不同， 但是，二者在結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)發(fā)展上有著許多形似之處，可以互相借鑒。比如，結(jié)構(gòu)從三維立體到二維平面再到三維立體的轉(zhuǎn)變。三維立體鰭式場效應(yīng)晶體管奠基了納電子時(shí)代，作者希望三維微凸天線可以成為實(shí)現(xiàn)高集成度太赫茲系統(tǒng)路上的鋪路石！ 去年在晶體管發(fā)明75周年前夕，IEEE科技縱覽雜志（IEEE Spectrum)?就暢想與展望晶體管發(fā)明100周年時(shí)（2047年）的晶體管為題，采訪了三位華裔、二位印度裔、一位德國裔、一位孟加拉裔美國半導(dǎo)體器件專家23。通讀整篇采訪，感覺專家似乎說了些什么，但是好像又沒說什么。作者傾向于24年后晶體管依然是硅基為主，采用三維結(jié)構(gòu)，尺度會(huì)在1納米及以下。 2047年將迎來天線發(fā)明160周年。

審核編輯：劉清