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师者|萨支唐:世界首个提出CMOS概念的人,一个MOS半导体器件领域绕不开的人
发布时间:2022年06月01日 来源:电子科学与技术学院

集成电路是现代信息社会的基石。在集成电路问世短短60余年的历史里,萨支唐可以称得上是先驱式的人物。自1963年他首次提出CMOS(互补金属氧化物半导体的缩写,指制造大规模集成电路芯片用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片)工艺技术至今,CMOS工艺已成为当前大规模集成电路的主流工艺技术,绝大部分集成电路都是用CMOS工艺制造的。得益于他的卓越贡献,集成电路功耗更低了、速度更快了、集成度更高了、抗干扰能力更强了。同时,成本也低了,更便于大规模生产,使得电子设备如手机、电视机、计算机等迅速普及开来。

半导体器件和微电子学的学术大家

在MOS半导体器件领域,萨支唐方程是每一个研究者都无法绕过的方程。MOS器件是MOS(金属-氧化物-半导体)场效应管的简称,在电学上MOS管作为一种电压控制的开关器件,其核心结构是由导体、绝缘体与构成管子衬底的掺杂半导体这三层材料叠在一起组成的。MOS晶体管性能的好坏是通过MOS晶体管输出电流-电压特性曲线进行衡量的,而关于MOS晶体管输出电流-电压特性的经典描述恰恰就是萨支唐方程。

除了萨支唐方程的学术贡献以外,萨支唐还长期致力于微电子学研究,对发展晶体管、集成电路以及可靠性研究作出了里程碑性质的贡献。他提出了半导体p-n结中电子-空穴复合理论,开发了半导体局域扩散的平面工艺和MOS、CMOS场效应晶体管,并提出MOS晶体管理论模型,发明了探测半导体中微量缺陷的深能级瞬态谱(DLTS)方法,发现了氢在硅中对受主杂质的钝化作用。他还写了三卷教科书,《固态电子学基础》(FSSE 1991),《FSSE研究指南》(1993)和《FSSE解决方案手册》(1996),为后来的半导体器件物理研究者提供了良好的学术参考。此外,他还编辑了晶体管紧凑模型和集成电路发明史方面10部专著,并由世界科学出版公司出版。

他不仅是国际固态电子技术进展系列(ASSET)的创始编辑(1991),还在1963年至1978年期间被科学信息研究所(Institute of Scientific Information)列为世界上被引用次数最多的1000名科学家之一。目前,萨支唐已发表了大约280篇学术论文,应邀做了约170次学术演讲,还为社会培养了大批半导体专业人才,堪称半导体器件和微电子学的学术大家。

现代半导体工业的开路先驱

1956年博士毕业后,萨支唐加入肖克利半导体实验室,跟随肖克利在工业界从事固态电子学方面的研究,为其在半导体领域的“开挂”工作奠定了基础;1959年,萨支唐进入仙童半导体公司,在戈登·摩尔的领导下,开展了平面硅基集成电路的研发,解决了一系列重要的技术问题,做出了非常重要的贡献。在供职仙童半导体公司期间,他担任固态物理组经理,带领一个64人的研究组从事第一代硅基二极管、MOS晶体管和集成电路的制造工艺研究,并取得了一系列重要进展。

1963年,萨支唐与同事Frank Wanlass一起发明了CMOS(互补MOS)半导体器件制造工艺。该工艺指出CMOS是由NMOS和PMOS的有机组合构成的逻辑器件,且静态电源功率密度低,工作电源功率密度高,能够形成高密度的场效应真空三极管逻辑电路。该器件在逻辑状态转换时才会产生大电流,在稳定状态时只有极小的电流通过。这一制造工艺的最大特点就是低功耗,此外还具有速度快、抗干扰能力强、集成密度高、封装成本逐渐降低等优点。CMOS工艺现在几乎用于所有现代大规模集成电路和超大规模集成电路中。

自低功耗CMOS工艺提出后,1964年,萨支唐的上司摩尔提出了摩尔定律,预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍。换言之,处理器的性能每隔两年翻一倍。CMOS技术的提出与发展,有效推动了集成电路按照摩尔定律不断向前发展,就像异常肥沃的养料一直滋养着人类硅文明历史上最艳丽的花朵—集成电路芯片。1998年,萨支唐被授予半导体工业协会(SIA)最高荣誉——罗伯特·诺伊斯奖,以表彰他对半导体行业的卓越贡献。

心系中国 爱校荣校的厦大校友

1932年,萨支唐出生于中国北平市,因其父萨本栋调任国立厦门大学校长,他随家南迁回到福州接受完中学教育。对于生于斯长于斯的中国和倾注了父亲心血的厦门大学,他怀有着无比深厚的感情。

改革开放以后,萨支唐是最早与中国进行科技合作与交流的美国科学家之一,曾多次访华,做了20余次系列讲座,指导了多名中国研究生,还多次协助在中国举办国际学术研讨会,并在2000年当选为中国科学院外籍院士。

萨支唐十分关注厦大的学术研究,他将自己毕生珍藏的、在半导体物理学和固态电子学领域积累的科学研究档案全部捐赠给了厦大,此项资料也成为了厦门大学图书馆萨本栋纪念特藏库的一个重要组成。自2000年起,他花费了大量时间和精力,陆续将这批资料从美国佛罗里达大学运来厦大图书馆收藏,仅私人支付的邮费便达到数万美元,更遑论科学资料背后的学术价值。这类研究档案资料,揭示着一门学科的发展历史,几乎填补了厦大图书馆在这类资料的历史空白,成为厦大学术之珍藏。为促进学术交流、推动科学研究,进一步培养厦门大学的年轻人才,萨支唐于2004年成为厦门大学的名誉教授,又于2010年受聘担任厦门大学物理与机电工程学院全职教授。他热心推动厦大的学科发展,多次来校对半导体等学科建设进行指导,积极牵线搭桥,促进我校与世界知名学术机构和学者建立交流合作关系,有力地推动了学校电子信息学科的发展。

在厦门大学89周年校庆的庆祝大会上,厦大授予了萨支唐名誉理学博士学位,这也是厦大历史上颁发出的第三个荣誉博士学位。“希望对厦大的感情能延续下去。”萨支唐深情地说道,“回厦大等于回家。”

(电子科学与技术学院 严威)

【人物名片

萨支唐,福建福州人,1932年11月出生,后入籍美国。著名的物理学家、微电子学家,美国国家工程院院士、中国科学院外籍院士、台湾“中研院”院士。1949年萨支唐从福州英华中学毕业,赴美国就读于伊利诺伊大学香槟分校,1953年获电机工程学士和工程物理学士,1954年、1956年分别获美国斯坦福大学硕士、博士学位。1959年至1964年供职于美国仙童公司。1964年担任伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校任物理系和电子及计算机系教授。1988年起,担任美国佛罗里达大学电机和电子工程系教授、工学院首席科学家。2004年被厦门大学授予“荣誉教授”称号,2010年起受聘为厦门大学微电子学科杰出教授。萨支唐的父亲萨本栋是厦门大学前校长、第一届中央研究院院士,“父子院士”成为一段传奇。

参考资料:

1.中国科学院学部

http://casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/wjysmd/200906/t20090624_1808832.html

2.玉堂厦大文库

https://jade.xmu.edu.cn/16079/list.htm

3.我校物理机电学院萨支唐院士获IEEE EDS颁发显赫会员称号

https://news.xmu.edu.cn/info/1003/19338.htm

4.萨本栋之子获颁厦大荣誉博士学

https://alumni.xmu.edu.cn/info/1014/1362.htm

5.新浪网:厦大授予萨本栋之子名誉博士

https://news.xmu.edu.cn/info/1023/37163.htm


【责任编辑:谢晨馨】
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