一文解析現(xiàn)代場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的發(fā)明先驅(qū)

朱利葉斯·埃德加·利利恩菲爾德在1925年申請(qǐng)的專利為場(chǎng)效應(yīng)晶體管奠定了理論基礎(chǔ)。

雖然第一個(gè)工作的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）直到1945年才出現(xiàn)，但這個(gè)想法早在近20年前，即朱利葉斯·埃德加·利利恩菲爾德（Julius Edgar Lilienfeld）的一項(xiàng)專利中就已顯現(xiàn)。

盡管利利恩菲爾德從未制造出實(shí)物原型，但他在推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)未來(lái)突破方面發(fā)揮了決定性作用。他1925年申請(qǐng)的專利被廣泛認(rèn)為是世界上第一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（幾乎所有電子設(shè)備的關(guān)鍵組件）的理論概念。

Lilienfeld 1882年出生于奧匈帝國(guó)的倫貝格（今烏克蘭利沃夫），他在柏林的弗里德里希-威廉大學(xué)（現(xiàn)為洪堡大學(xué)）學(xué)習(xí)物理學(xué)，師從量子理論的關(guān)鍵人物馬克斯·普朗克。1905年，Lilienfeld獲得博士學(xué)位，這一年可以說(shuō)是物理學(xué)最具變革性的一年之一——阿爾伯特·愛(ài)因斯坦發(fā)表了一系列論文，從根本上改變了人們對(duì)空間、時(shí)間、質(zhì)量和能量的看法。

獲得博士學(xué)位后，Lilienfeld開始在萊比錫大學(xué)的物理研究所擔(dān)任非終身教授。他早期的工作集中在真空中的電放電物理，并很快開始發(fā)表關(guān)于輝光放電和高輸出汞低壓燈特性的論文。盡管這項(xiàng)工作并非研究所的標(biāo)準(zhǔn)研究，但得到了德國(guó)著名物理學(xué)家?jiàn)W托·維納的支持。

從1910年起，Lilienfeld在真空中金屬電極間的電放電方面進(jìn)行了重要的早期工作。他發(fā)現(xiàn)了場(chǎng)致電子發(fā)射——一種電子在電場(chǎng)作用下從固體表面逸出的過(guò)程，并將其稱為“自電子發(fā)射”。如今，這一過(guò)程被稱為場(chǎng)致電子發(fā)射。這些觀察后來(lái)成為理論模型發(fā)展的基本原理。

為FET創(chuàng)新鋪路的專利

1912年至1931年間，利利恩菲爾德開發(fā)了多項(xiàng)專利。他的第一項(xiàng)專利描述了一種從熱燈絲發(fā)射電子產(chǎn)生X射線的X射線管。1914年，他對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，申請(qǐng)了第二項(xiàng)專利，即一種倫琴射線管。

然而，Lilienfeld最為人所知的或許是他描述了一種與現(xiàn)代FET非常相似的設(shè)備的專利。該專利描述了一種使用硫化銅半導(dǎo)體材料的三電極結(jié)構(gòu)。具體來(lái)說(shuō)，它詳細(xì)描述了：

兩個(gè)緊密間隔的金屬電極之間的一層具有“單向?qū)щ娦浴钡谋∧?/p>

位于另外兩個(gè)電極之間的第三個(gè)電極，用于施加靜電力以控制電流流動(dòng)

Lilienfeld1930年專利中的插圖展示了一種控制電流的設(shè)備。圖片由Espacenet提供

Lilienfeld提出硫化銅作為半導(dǎo)體薄膜的合適化合物，并描述了包括真空濺射在內(nèi)的幾種沉積方法。該設(shè)備在理論上通過(guò)在兩個(gè)電極端子之間建立第三個(gè)電勢(shì)來(lái)控制電流流動(dòng)。

推動(dòng)晶體管革命

由于材料限制，利利恩菲爾德無(wú)法制造出功能性原型，但他的想法為今天的晶體管技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)40年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉·肖克利開發(fā)出了第一個(gè)實(shí)用的晶體管，但由于Lilienfeld之前的專利，他們?cè)趯＠暾?qǐng)上遇到了挑戰(zhàn)。Lilienfeld類似FET的設(shè)備迫使他們改進(jìn)設(shè)計(jì)和方法。他們的法律糾紛中引用了Lilienfeld的專利，這些專利是理解晶體管原理的早期藍(lán)圖。例如，Lilienfeld的理論展示了固態(tài)設(shè)備如何在沒(méi)有真空管的情況下放大和控制電流。盡管材料和制造技術(shù)花了數(shù)十年才趕上，但他的概念為實(shí)用晶體管的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

盡管Lilienfeld在有生之年他的工作鮮為人知，但隨著晶體管技術(shù)的創(chuàng)新，他的遺產(chǎn)也隨之增長(zhǎng)。如今，美國(guó)物理學(xué)會(huì)于1988年設(shè)立的朱利葉斯·埃德加·利利恩菲爾德獎(jiǎng)，旨在表彰在物理學(xué)領(lǐng)域做出重大貢獻(xiàn)并擅長(zhǎng)向公眾傳達(dá)其科學(xué)成果的物理學(xué)家。

利利恩菲爾德于1963年8月去世，享年81歲。

參考鏈接：

https://www.allaboutcircuits.com/news/how-engineer-julius-edgar-lilienfeld-laid-groundwork-modern-fets