一文解析現(xiàn)代場效應(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年申請的專利為場效應(yīng)晶體管奠定了理論基礎(chǔ)。

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

盡管利利恩菲爾德從未制造出實物原型，但他在推動半導(dǎo)體技術(shù)未來突破方面發(fā)揮了決定性作用。他1925年申請的專利被廣泛認為是世界上第一個場效應(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，這一年可以說是物理學(xué)最具變革性的一年之一——阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表了一系列論文，從根本上改變了人們對空間、時間、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。盡管這項工作并非研究所的標準研究，但得到了德國著名物理學(xué)家奧托·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行了重要的早期工作。他發(fā)現(xiàn)了場致電子發(fā)射——一種電子在電場作用下從固體表面逸出的過程，并將其稱為“自電子發(fā)射”。如今，這一過程被稱為場致電子發(fā)射。這些觀察后來成為理論模型發(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)了多項專利。他的第一項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，他對此進行了改進，申請了第二項專利，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)。具體來說，它詳細描述了：

兩個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>

位于另外兩個電極之間的第三個電極，用于施加靜電力以控制電流流動

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)備在理論上通過在兩個電極端子之間建立第三個電勢來控制電流流動。

推動晶體管革命

由于材料限制，利利恩菲爾德無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40年代，貝爾實驗室的科學(xué)家約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉·肖克利開發(fā)出了第一個實用的晶體管，但由于Lilienfeld之前的專利，他們在專利申請上遇到了挑戰(zhàn)。Lilienfeld類似FET的設(shè)備迫使他們改進設(shè)計和方法。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圖。例如，Lilienfeld的理論展示了固態(tài)設(shè)備如何在沒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。如今，美國物理學(xué)會于1988年設(shè)立的朱利葉斯·埃德加·利利恩菲爾德獎，旨在表彰在物理學(xué)領(lǐng)域做出重大貢獻并擅長向公眾傳達其科學(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