摘要：天線與晶體管是人類歷史上兩項最偉大的發明。天線開啟了無線電的時代，晶體管開辟了電子學的新世界。二者相結合發展了無線電電子學這一門綜合性學科，奠定了現代無線通信、探測、感知、成像的硬件基礎。本文嘗試從硬件“器”的視角出發，以類比的方式首次論述作為“器”的天線與晶體管發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，對關注的“器”有新的認識，對從事的研究有所啟迪。

1. 引言

無線電電子學作為一門學問有“道”、“術”、“器”、“用”四個層面。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”含設計與仿真、材料與工藝、表征與測試等；“器” 指有形的構件，既是“道”的結晶，也是“術”的物化，更是深化“道”與簡化“術”的基礎；“用”有多種，移動通信是最典型的“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家赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）于1887年發明的偶極子與環形天線。赫茲用偶極子與環形天線成功地驗證了麥克斯韋電磁場理論及發現了電磁波的存在1。作者去年曾撰文將天線的歷史劃分為創世紀、大躍進、添新丁三個階段2。每個階段都有新天線問世，成為經典的電天線有創世紀階段1895年的單極子天線3、大躍進階段1924年的八木-宇田天線4、添新丁階段1972年的微帶天線5。

單極子天線發明者與相控陣發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獎。 最早的晶體管是美國理論物理學家巴丁（John Bardeen）與實驗物理學家布拉頓（Walter Houser Brattain）于1947年發明的點接觸式晶體管。巴丁與布拉頓用點接觸式晶體管成功地驗證了固態電子學理論，實現了對微弱電信號的有效放大6。點接觸式晶體管的發明對巴丁與布拉頓的頂頭上司物理學家肖克利（William Bradford Shockley）觸動很大，促使肖克利于1948年閉門構思出雙極性結型晶體管7。肖克利的雙極性結型晶體管，因其良好的性能與簡單可靠的結構，迅速地取代了巴丁與布拉頓的點接觸式晶體管，并占據晶體管主導地位很多年，直到被后來發明的場效應晶體管擠下了神壇8。晶體管的發明也為集成電路于1958年誕生奠定了基礎9，為人類進入電子與信息時代鋪平了道路。因此，上述三位晶體管發明者于1956年獲得了諾貝爾物理學獎。 晶體管是集成電路與系統的核心，天線是實現真正無線集成系統的最后一個瓶頸。作者專研集成天線，很自然地會聯想到集成晶體管。作者深知晶體管與天線工作機理風馬牛不相及，類比論述它們，初想有點不可思議，深究會明白潛在的意義。

2. 偶極子天線與雙極性結型晶體管

眾所周知，偶極子天線（Dipole Antenna）是赫茲發明的。但是，很少人知道赫茲本人從來沒用過天線這個詞稱呼天線，赫茲用導體或電路來稱呼天線。赫茲不認為天線有什么實用價值。赫茲關注的是物理學中波的輻射、振蕩、反射、折射、極化等。圖1是赫茲發明的并用于驗證麥克斯偉電磁場理論及發現電磁波存在的偶極子天線實物照片10。如圖所示，偶極子天線由兩個相同的導體組成，每個線狀導體的內端接個小球外端接個大球。外端的大球為電荷提供個容身之處，可以調整天線的諧振頻率。

雙極性結型晶體管（Bipolar Junction Transistor）的發明，是肖克利自尊心受損與嫉妒心升起的產物。肖克利作為巴丁與布拉頓的頂頭上司，因為名字沒有出現在點接觸式晶體管的發明專利上深感挫折與窩火。肖克利很不認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體材料，而不僅僅是沿著表面層滴流，從而實現少數載流子的注入。連同帶負電荷的電子所形成的多數載流子流動，肖克利完美地解釋了雙極結型晶體管的工作機理。圖2是肖克利發明的雙極性結型晶體管實物照片7。從左到右是p型發射極、n型基極、p型集電極。雙極性結型晶體管的發明標志著真正晶體管時代的來臨。

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偶極子天線加電受到激勵后，兩根導體中的自由電荷（電子）會發生運動成為電流，電流在兩根導體中流向相同，時變的電流就產生了輻射，在其周圍空中激發出電磁波。或者，因為受制于兩根導體的有限長度，自由電荷的加速度在導體端口不連續處被迫改變，結果就產生了電磁波的輻射。 雙極性結型晶體管加載合適的偏置電壓后，少數載流子形成的小電流在基極和發射極之間流動，這反過來可以用來控制多數載流子在發射極與集電極間形成大電流的流動。發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體中流向相同一樣。因為雙極性結型晶體管的電尺度非常非常小，所以輻射可以忽略不計。但是，如果連接發射極與集電極的導體引線達到一定的電尺度，雙極性結型晶體管有時就會無意成為一個有源偶極子天線。 ”偶“與”雙“兩個中文字既恰當地譯出了“Di-”與“Bi-”兩個英文詞根所表達的意思，也貼切地表述了偶極子天線與雙極性結型晶體管的結構特征。

3. 單極子天線與點接觸式晶體管

天線的實用價值因馬可尼（Guglielmo Giovanni Maria Marconi）無線電得到充分的展現。馬可尼有關無線電系統的研發曾受到當時英國理論學界的小看。他們認為馬可尼并沒有發現任何新的和革命性的原理，而是改進了一系列已有的發現與成果，并將它們進行整合，適應他的無線電系統，使其在商業上取得成功。比如，馬可尼對赫茲發明的天線做出的一個重要改進就是引入“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在大地之上，有利于遠距離無線覆蓋。圖3是馬可尼發明的單極子天線于1906年立在英國倫敦街頭提供無線電報服務的實物照片11。馬可尼曾于1933年造訪我國，發表演講并表示12，“貴國地大民眾，無線電最有用處，望貴國人士深明此意，聯絡民眾，交換情感，可造成一強大無匹之國家。”

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點接觸式晶體管（Point Contact Transistor）是巴丁與布拉頓才華和靈感的產物。點接觸式晶體管如圖3所示7，是圍繞一塊拇指大小、帶有過多負電荷電子的n型鍺板構建的。這塊鍺板經過處理，會產生一個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”。它們實際上是在半導體原子之間移動的電子留下的空位。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電極，被稱為“發射極”和“集電極”。當加載合適的偏置電壓，電流開始從基極“地”流入集電極，且比發射極流入到基極“地”的電流大得多。發射極電流的微小變化即可控制集電極電流的巨大變化，從而實現對微弱電信號的有效放大。

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單極子天線直立在大地之上，其中的電流流向垂直于“地”。點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接觸式晶體管的共性。

4. 八木-宇田天線與達靈頓晶體管

八木-宇田天線由宇田太郎與八木秀次于1924年在日本發明。八木-宇田天線因八木用英文撰文于1928年在美國發表而引起西方關注。八木與宇田是日本東北大學的同事，八木當教授時，宇田是講師。圖5是1930年拍攝的八木-宇田天線的實物照片13。如圖所示，八木-宇田天線是由一個有源驅動單元、一個無源反射單元和若干個無源導向單元平行排列而成的端射式天線。每個單元可看作為一個偶極子天線，所以八木-宇田天線有較單個偶極子天線更高的增益，成為方向性更好的定向天線。當八木-宇田天線的單元個數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控制裝置，更可以與包括空間飛行器在內的各個方向上實現無線聯絡，這是水平架設的偶極子天線或直立架設的單極子天線做不到的。作者去年著有 “八木與準八木天線”一文14，總結了八木-宇田天線一個世紀以來的發展，文章會擇機發表。

達靈頓晶體管是由美國物理學家達靈頓（Sidney Darlington ）在1952年發明的15。達靈頓晶體管由兩個（甚至多個）雙極性結型晶體管組成的復合結構，通過這樣的結構，經第一個雙極性晶體管放大的電流可以進一步被放大。這樣的結構可以提供一個比其中任意一個晶體管高得多的電流增益。當晶體管個數N給定后，增益可以由如下公式估算:

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

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

最常用的達靈頓晶體管N = 2。圖6所示的是達靈頓晶體管電路符號。它是由兩個npn雙極性結型晶體管電路符號合成而來。

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圖6 達靈頓晶體管電路符號

八木-宇田天線與達靈頓晶體管一個共同點就是通過增加單元數量來獲得更高的增益。

5. 微帶天線與場效應晶體管

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，推動了微帶天線產業的興起，也為他贏得了微帶天線發明者的美譽5。圖7是Howell 1973年拍攝的微帶天線實物照片16。微帶天線是印刷在接地介質基板上的金屬輻射片。微帶天線性能一般，但是，它具有結構簡單，易于量產，適合集成，可以共形等優點。微帶天線順應了無線系統發展的潮流，標志著二維平面天線時代的來臨。

金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）是由埃及裔美國物理學家馬丁阿特拉（Martin Atalla）與韓國裔美國物理學家姜大元（Dawon Kahng）于1959年合作發明的。圖8是1964年拍攝的第一個商用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，溝道長度約在十個微米的等級。但是到了今日溝道長度約在幾個納米的等級。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，使開關的速度更快，可以提高集成度，降低功耗。

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微帶天線最重要的一個應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有效的辦法。作者注意到場效應晶體管在發展過程中，為了適應射頻集成電路的發展，增強場效應晶體管之間的隔離，引入了深 n 阱結。微帶天線的背腔與場效應晶體管的深 n 阱結有著異曲同工之妙。

6. 互補天線與互補場效應晶體管

互補天線的思想最初來源于英國物理學家布克（Henry George Booker）于1946年發表的文章18。自互補天線由日本東北大學宇田教授的研修生蟲明康人于1948年發明。自互補天線結構上要求磁天線（縫隙）的形狀與其互補的電天線的形狀完全相同。自互補天線的輸入阻抗為周圍介質本征阻抗的一半。自互補天線的輸入阻抗總是恒定的，與激勵源的頻率無關。圖9是一個自互補天線的示意圖19。深灰色區域是兩片金屬，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天線。

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

圖10 互補場效應晶體管電路符號

7. 微凸天線與鰭式場效應晶體管

微凸天線 （Microbump Antennas）是一個全新天線體系的正式名稱21。微凸天線的別稱是凸點天線 （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。微凸天線的一個重要優勢就是可以用更加簡化的標準凸塊工藝來大規模生產。圖11是去年12月12號拍攝的工作在300 GHz片上微凸天線與微帶天線實物顯微照片21。實測驗證了片上微凸天線的所有性能指標都遠優于片上微帶天線。微凸天線優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構設計上的局限，標志著印刷和集成天線結構設計從二維平面向三維立體的重要范式轉變。當工作頻率從微波上升到毫米波，尤其是到太赫磁頻段，這一轉變是順其自然與合乎邏輯的發展。類似的范式轉變，近年來也發生在半導體領域。在微電子時代二維平面場效應晶體管是主流，到納電子時代三維立體場效應晶體管（比如鰭式場效應晶體管FinFET）唱主角22。圖12是鰭式場效應晶體管實物顯微照片。鰭式場效應晶體管由華裔美國半導體專家加州大學伯克利分校胡正明教授課題組發明。胡正明教授是世界電氣電子工程學界最高獎勵IEEE榮譽獎章（IEEE Medal of Honor）獲得者。胡正明教授在接受IEEE科技縱覽雜志（IEEE Spectrum）專訪時對采訪者談到：鰭式場效應晶體管由他的學生黃雪玨（Xuejue “Cathy” Huang）制作成功。這里我也需要強調，微凸天線設計與流片由作者的學生鄧天偉完成，測試由作者的學生鄭子陽完成。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”的天線與晶體管發展歷程中那些具有里程碑意義的工作。類比會發現，盡管天線與晶體管工作機理完全不同， 但是，二者在結構與結構發展上有著許多形似之處，可以互相借鑒。比如，結構從三維立體到二維平面再到三維立體的轉變。三維立體鰭式場效應晶體管奠基了納電子時代，作者希望三維微凸天線可以成為實現高集成度太赫茲系統路上的鋪路石！ 去年在晶體管發明75周年前夕，IEEE科技縱覽雜志（IEEE Spectrum)?就暢想與展望晶體管發明100周年時（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，采用三維結構，尺度會在1納米及以下。 2047年將迎來天線發明160周年。

審核編輯：劉清