一文解析现代场效应晶体管(FET)的发明先驱

朱利叶斯·埃德加·利利恩菲尔德在1925年申请的专利为场效应晶体管奠定了理论基础。

虽然第一个工作的场效应晶体管（FET）直到1945年才出现，但这个想法早在近20年前，即朱利叶斯·埃德加·利利恩菲尔德（Julius Edgar Lilienfeld）的一项专利中就已显现。

尽管利利恩菲尔德从未制造出实物原型，但他在推动半导体技术未来突破方面发挥了决定性作用。他1925年申请的专利被广泛认为是世界上第一个场效应晶体管（几乎所有电子设备的关键组件）的理论概念。

Lilienfeld 1882年出生于奥匈帝国的伦贝格（今乌克兰利沃夫），他在柏林的弗里德里希-威廉大学（现为洪堡大学）学习物理学，师从量子理论的关键人物马克斯·普朗克。1905年，Lilienfeld获得博士学位，这一年可以说是物理学最具变革性的一年之一——阿尔伯特·爱因斯坦发表了一系列论文，从根本上改变了人们对空间、时间、质量和能量的看法。

获得博士学位后，Lilienfeld开始在莱比锡大学的物理研究所担任非终身教授。他早期的工作集中在真空中的电放电物理，并很快开始发表关于辉光放电和高输出汞低压灯特性的论文。尽管这项工作并非研究所的标准研究，但得到了德国著名物理学家奥托·维纳的支持。

从1910年起，Lilienfeld在真空中金属电极间的电放电方面进行了重要的早期工作。他发现了场致电子发射——一种电子在电场作用下从固体表面逸出的过程，并将其称为“自电子发射”。如今，这一过程被称为场致电子发射。这些观察后来成为理论模型发展的基本原理。

为FET创新铺路的专利

1912年至1931年间，利利恩菲尔德开发了多项专利。他的第一项专利描述了一种从热灯丝发射电子产生X射线的X射线管。1914年，他对此进行了改进，申请了第二项专利，即一种伦琴射线管。

然而，Lilienfeld最为人所知的或许是他描述了一种与现代FET非常相似的设备的专利。该专利描述了一种使用硫化铜半导体材料的三电极结构。具体来说，它详细描述了：

两个紧密间隔的金属电极之间的一层具有“单向导电性”的薄膜

位于另外两个电极之间的第三个电极，用于施加静电力以控制电流流动

Lilienfeld1930年专利中的插图展示了一种控制电流的设备。图片由Espacenet提供

Lilienfeld提出硫化铜作为半导体薄膜的合适化合物，并描述了包括真空溅射在内的几种沉积方法。该设备在理论上通过在两个电极端子之间建立第三个电势来控制电流流动。

推动晶体管革命

由于材料限制，利利恩菲尔德无法制造出功能性原型，但他的想法为今天的晶体管技术奠定了基础。

20世纪40年代，贝尔实验室的科学家约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利开发出了第一个实用的晶体管，但由于Lilienfeld之前的专利，他们在专利申请上遇到了挑战。Lilienfeld类似FET的设备迫使他们改进设计和方法。他们的法律纠纷中引用了Lilienfeld的专利，这些专利是理解晶体管原理的早期蓝图。例如，Lilienfeld的理论展示了固态设备如何在没有真空管的情况下放大和控制电流。尽管材料和制造技术花了数十年才赶上，但他的概念为实用晶体管的发展奠定了基础。

尽管Lilienfeld在有生之年他的工作鲜为人知，但随着晶体管技术的创新，他的遗产也随之增长。如今，美国物理学会于1988年设立的朱利叶斯·埃德加·利利恩菲尔德奖，旨在表彰在物理学领域做出重大贡献并擅长向公众传达其科学成果的物理学家。

利利恩菲尔德于1963年8月去世，享年81岁。

参考链接：

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