摘要：天线与晶体管是人类历史上两项最伟大的发明。天线开启了无线电的时代，晶体管开辟了电子学的新世界。二者相结合发展了无线电电子学这一门综合性学科，奠定了现代无线通信、探测、感知、成像的硬件基础。本文尝试从硬件“器”的视角出发，以类比的方式首次论述作为“器”的天线与晶体管发展历程中那些具有里程碑意义的工作。希望读者能够通过阅读本文，对关注的“器”有新的认识，对从事的研究有所启迪。
1. 引言
无线电电子学作为一门学问有“道”、“术”、“器”、“用”四个层面。以天线为例：大“道”是麦克斯韦电磁场理论，小“道”是朱兰成天线理论与谢昆诺夫天线理论等；“术”含设计与仿真、材料与工艺、表征与测试等；“器” 指有形的构件，既是“道”的结晶，也是“术”的物化，更是深化“道”与简化“术”的基础；“用”有多种，移动通信是最典型的“用”，有它，可以让你摆脱线的束缚，无它，让你现在难以想象。最早的天线是德国物理学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）于1887年发明的偶极子与环形天线。赫兹用偶极子与环形天线成功地验证了麦克斯韦电磁场理论及发现了电磁波的存在1。作者去年曾撰文将天线的历史划分为创世纪、大跃进、添新丁三个阶段2。每个阶段都有新天线问世，成为经典的电天线有创世纪阶段1895年的单极子天线3、大跃进阶段1924年的八木-宇田天线4、添新丁阶段1972年的微带天线5。单极子天线发明者与相控阵发明者为人类带来了无线电，所以于1909年获得了诺贝尔物理学奖。最早的晶体管是美国理论物理学家巴丁（John Bardeen）与实验物理学家布拉顿（Walter Houser Brattain）于1947年发明的点接触式晶体管。巴丁与布拉顿用点接触式晶体管成功地验证了固态电子学理论，实现了对微弱电信号的有效放大6。点接触式晶体管的发明对巴丁与布拉顿的顶头上司物理学家肖克利（William Bradford Shockley）触动很大，促使肖克利于1948年闭门构思出双极性结型晶体管7。肖克利的双极性结型晶体管，因其良好的性能与简单可靠的结构，迅速地取代了巴丁与布拉顿的点接触式晶体管，并占据晶体管主导地位很多年，直到被后来发明的场效应晶体管挤下了神坛8。晶体管的发明也为集成电路于1958年诞生奠定了基础9，为人类进入电子与信息时代铺平了道路。因此，上述三位晶体管发明者于1956年获得了诺贝尔物理学奖。晶体管是集成电路与系统的核心，天线是实现真正无线集成系统的最后一个瓶颈。作者专研集成天线，很自然地会联想到集成晶体管。作者深知晶体管与天线工作机理风马牛不相及，类比论述它们，初想有点不可思议，深究会明白潜在的意义。2. 偶极子天线与双极性结型晶体管
众所周知，偶极子天线（Dipole Antenna）是赫兹发明的。但是，很少人知道赫兹本人从来没用过天线这个词称呼天线，赫兹用导体或电路来称呼天线。赫兹不认为天线有什么实用价值。赫兹关注的是物理学中波的辐射、振荡、反射、折射、极化等。图1是赫兹发明的并用于验证麦克斯伟电磁场理论及发现电磁波存在的偶极子天线实物照片10。如图所示，偶极子天线由两个相同的导体组成，每个线状导体的内端接个小球外端接个大球。外端的大球为电荷提供个容身之处，可以调整天线的谐振频率。 ![]()
双极性结型晶体管（Bipolar Junction Transistor）的发明，是肖克利自尊心受损与嫉妒心升起的产物。肖克利作为巴丁与布拉顿的顶头上司，因为名字没有出现在点接触式晶体管的发明专利上深感挫折与窝火。肖克利很不认同巴丁对晶体管工作原理的解释，他声称带正电的空穴也可以穿透半导体材料，而不仅仅是沿着表面层滴流，从而实现少数载流子的注入。连同带负电荷的电子所形成的多数载流子流动，肖克利完美地解释了双极结型晶体管的工作机理。图2是肖克利发明的双极性结型晶体管实物照片7。如图所示，从左到右是p型发射极、n型基极、p型集电极。双极性结型晶体管的发明标志着真正晶体管时代的来临。![]()
偶极子天线加电受到激励后，两根导体中的自由电荷（电子）会发生运动成为电流，电流在两根导体中流向相同，时变的电流就产生了辐射，在其周围空中激发出电磁波。或者，因为受制于两根导体的有限长度，自由电荷的加速度在导体端口不连续处被迫改变，结果就产生了电磁波的辐射。双极性结型晶体管加载合适的偏置电压后，少数载流子形成的小电流在基极和发射极之间流动，这反过来可以用来控制多数载流子在发射极与集电极间形成大电流的流动。发射极与集电极中大电流的流向相同，就如同偶极子天线两根导体中流向相同一样。因为双极性结型晶体管的电尺度非常非常小，所以辐射可以忽略不计。但是，如果连接发射极与集电极的导体引线达到一定的电尺度，双极性结型晶体管有时就会无意成为一个有源偶极子天线。”偶“与”双“两个中文字既恰当地译出了“Di-”与“Bi-”两个英文词根所表达的意思，也贴切地表述了偶极子天线与双极性结型晶体管的结构特征。3. 单极子天线与点接触式晶体管
天线的实用价值因马可尼（Guglielmo Giovanni Maria Marconi）无线电得到充分的展现。马可尼有关无线电系统的研发曾受到当时英国理论学界的小看。他们认为马可尼并没有发现任何新的和革命性的原理，而是改进了一系列已有的发现与成果，并将它们进行整合，适应他的无线电系统，使其在商业上取得成功。比如，马可尼对赫兹发明的天线做出的一个重要改进就是引入“地”的概念，将差分偶极子天线改成了单端口单极子天线（Monopole Antenna）。单极子天线更加容易架设在大地之上，有利于远距离无线覆盖。图3是马可尼发明的单极子天线于1906年立在英国伦敦街头提供无线电报服务的实物照片11。马可尼曾于1933年造访我国，发表演讲并表示12，“贵国地大民众，无线电最有用处，望贵国人士深明此意，联络民众，交换情感，可造成一强大无匹之国家。”![]()
点接触式晶体管（Point Contact Transistor）是巴丁与布拉顿才华和灵感的产物。点接触式晶体管如图3所示7，是围绕一块拇指大小、带有过多负电荷电子的n型锗板构建的。这块锗板经过处理，会产生一个非常薄的带有过多正电荷的p型表面层。这些正电荷称为“空穴”。它们实际上是在半导体原子之间移动的电子留下的空位。锗板底部与接地的电极连接，形成了晶体管的基极。接触表面的两条金箔形成了另外两个电极，被称为“发射极”和“集电极”。当加载合适的偏置电压，电流开始从基极“地”流入集电极，且比发射极流入到基极“地”的电流大得多。发射极电流的微小变化即可控制集电极电流的巨大变化，从而实现对微弱电信号的有效放大。![]()
单极子天线直立在大地之上，其中的电流流向垂直于“地”。点接触式晶体管的大电流是从基极也就是“地”近乎垂直地流入到集电极。“垂直”两字反映了单极子天线与点接触式晶体管的共性。4. 八木-宇田天线与达灵顿晶体管
八木-宇田天线由宇田太郎与八木秀次于1924年在日本发明。八木-宇田天线因八木用英文撰文于1928年在美国发表而引起西方关注。八木与宇田是日本东北大学的同事，八木当教授时，宇田是讲师。图5是1930年拍摄的八木-宇田天线的实物照片13。如图所示，八木-宇田天线是由一个有源驱动单元、一个无源反射单元和若干个无源导向单元平行排列而成的端射式天线。每个单元可看作为一个偶极子天线，所以八木-宇田天线有较单个偶极子天线更高的增益，成为方向性更好的定向天线。当八木-宇田天线的单元个数N给定后，增益可以由如下公式估算：
八木-宇田天线如果再配上仰角和方位旋转控制装置，更可以与包括空间飞行器在内的各个方向上实现无线联络，这是水平架设的偶极子天线或直立架设的单极子天线做不到的。作者去年著有 “八木与准八木天线”一文14，总结了八木-宇田天线一个世纪以来的发展，文章会择机发表。![]()
图5 早期用于无线电系统中的八木-宇田天线实物照片达灵顿晶体管是由美国物理学家达灵顿（Sidney Darlington ）在1952年发明的15。达灵顿晶体管由两个（甚至多个）双极性结型晶体管组成的复合结构，通过这样的结构，经第一个双极性晶体管放大的电流可以进一步被放大。这样的结构可以提供一个比其中任意一个晶体管高得多的电流增益。当晶体管个数N给定后，增益可以由如下公式估算:
最常用的达灵顿晶体管N = 2。图6所示的是达灵顿晶体管电路符号。它是由两个npn双极性结型晶体管电路符号合成而来。 ![]()
八木-宇田天线与达灵顿晶体管一个共同点就是通过增加单元数量来获得更高的增益。5. 微带天线与场效应晶体管
微带天线源自于美国天线专家E. V. Byron, R. E. Munson, J. Q. Howell 1970年代初的工作。尤其是Munson的工作奠定了微带天线的基础，推动了微带天线产业的兴起，也为他赢得了微带天线发明者的美誉5。图7是Howell 1973年拍摄的微带天线实物照片16。如图所示，微带天线是印刷在接地介质基板上的金属辐射片。微带天线性能一般，但是，它具有结构简单，易于量产，适合集成，可以共形等优点。微带天线顺应了无线系统发展的潮流，标志着二维平面天线时代的来临。 ![]()
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金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是由埃及裔美国物理学家马丁阿特拉（Martin Atalla）与韩国裔美国物理学家姜大元（Dawon Kahng）于1959年合作发明的。图8是1964年拍摄的第一个商用MOS管照片17。如图所示，从左到右是源极、栅极、漏极。早期的MOS管，沟道长度约在十个微米的等级。但是到了今日沟道长度约在几个纳米的等级。沟道长度减少，让沟道的等效电阻也减少，可以让更多电流通过。MOS管尺寸变小意味着栅极面积减少，可以降低寄生的栅极电容，使开关的速度更快，可以提高集成度，降低功耗。![]()
微带天线最重要的一个应用就是作为相控阵的辐射单元，为了降低单元之间的互耦，在微带天线单元中引入背腔是一个有效的办法。作者注意到场效应晶体管在发展过程中，为了适应射频集成电路的发展，增强场效应晶体管之间的隔离，引入了深 n 阱结。微带天线的背腔与场效应晶体管的深 n 阱结有着异曲同工之妙。6. 互补天线与互补场效应晶体管
互补天线的思想最初来源于英国物理学家布克（Henry George Booker）于1946年发表的文章18。自互补天线由日本东北大学宇田教授的研修生虫明康人于1948年发明。自互补天线结构上要求磁天线（缝隙）的形状与其互补的电天线的形状完全相同。自互补天线的输入阻抗为周围介质本征阻抗的一半。自互补天线的输入阻抗总是恒定的，与激励源的频率无关。图9是一个自互补天线的示意图19。深灰色区域是两片金属，代表着电天线；两片金属中间形成的缝隙形成磁天线。电天线与磁天线形成自互补天线。![]()
互补场效应晶体管（Complementary MOSFET）是指在硅质晶圆上制出n-型 场效应晶体管（NMOS）和p-型 场效应晶体管（PMOS）的基本器件，由于NMOS与PMOS在物理特性上为互补性，因此被称为互补场效应晶体管20。图10是互补场效应晶体管的电路符号。制造互补场效应晶体管的半导体技术称之为CMOS工艺。该工艺由美国半导体技术专家Frank Wanlass与华裔美国半导体技术专家萨支唐1963年合作发明。萨支唐是出生在北京的蒙古族人，祖籍福建省，曾任厦门大学荣誉教授。作者注意到点接触式晶体管发明人之一布拉顿于1902年出生在福建厦门，一岁后由母亲带会美国。CMOS工艺是现代集成电路制造的主流工艺。![]()
图10 互补场效应晶体管电路符号
7. 微凸天线与鳍式场效应晶体管
微凸天线 （Microbump Antennas）是一个全新天线体系的正式名称21。微凸天线的别称是凸点天线 （Bump Antennas）。微凸天线所需要的金属材料是非常普通的，比如锡-银-铜（Sn-Ag-Cu）合金与铜。微凸天线的一个重要优势就是可以用更加简化的标准凸块工艺来大规模生产。图11是去年12月12号拍摄的工作在300 GHz片上微凸天线与微带天线实物显微照片21。实测验证了片上微凸天线的所有性能指标都远优于片上微带天线。微凸天线优良的性能在于巧妙地引入了微球电磁模式。很显然，微凸天线突破了微带天线结构设计上的局限，标志着印刷和集成天线结构设计从二维平面向三维立体的重要范式转变。当工作频率从微波上升到毫米波，尤其是到太赫磁频段，这一转变是顺其自然与合乎逻辑的发展。类似的范式转变，近年来也发生在半导体领域。在微电子时代二维平面场效应晶体管是主流，到纳电子时代三维立体场效应晶体管（比如鳍式场效应晶体管FinFET）唱主角22。图12是鳍式场效应晶体管实物显微照片。鳍式场效应晶体管由华裔美国半导体专家加州大学伯克利分校胡正明教授课题组发明。胡正明教授是世界电气电子工程学界最高奖励IEEE荣誉奖章（IEEE Medal of Honor）获得者。胡正明教授在接受IEEE科技纵览杂志（IEEE Spectrum）专访时对采访者谈到：鳍式场效应晶体管由他的学生黄雪珏（Xuejue “Cathy” Huang）制作成功。这里我也需要强调，微凸天线设计与流片由作者的学生邓天伟完成，测试由作者的学生郑子阳完成。郑子阳测试完成后曾语音告诉我， “老师，这是我见到过的最精美的如工艺品般的天线” 。对此，我深表赞同。
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图11. 太赫磁片上微凸天线与微带天线显微照片（尺寸2毫米×2毫米）![]()
8. 结论与展望
本文以类比的方式首次论述了作为“器”的天线与晶体管发展历程中那些具有里程碑意义的工作。类比会发现，尽管天线与晶体管工作机理完全不同， 但是，二者在结构与结构发展上有着许多形似之处，可以互相借鉴。比如，结构从三维立体到二维平面再到三维立体的转变。三维立体鳍式场效应晶体管奠基了纳电子时代，作者希望三维微凸天线可以成为实现高集成度太赫兹系统路上的铺路石！去年在晶体管发明75周年前夕，IEEE科技纵览杂志（IEEE Spectrum) 就畅想与展望晶体管发明100周年时（2047年）的晶体管为题，采访了三位华裔、二位印度裔、一位德国裔、一位孟加拉裔美国半导体器件专家23。通读整篇采访，感觉专家似乎说了些什么，但是好像又没说什么。作者倾向于24年后晶体管依然是硅基为主，采用三维结构，尺度会在1纳米及以下。2047年将迎来天线发明160周年。欢迎天线人畅想与展望天线的未来。作者的展望是“集成”，集成是创新的沃土，凡是易于集成与组阵的天线都值得去研究与发展。无线电电子学随着片上天线（Antenna-on-chip， AoC）以及芯片域无线电（Wireless Chip Area Network, WCAN）概念的出现，正处于向集成无线电电子学发展的初始阶段。假设有一天可以实现在厘米见方的芯片上集成成百上千个无线电 （Massive Radio，Massive MIMO），那是多么令人着谜的一个想法24。这个想法现在看来有点荒谬，但是“If at first an idea does not sound absurd, then there’s no hope for it.”—Albert Einstein。国内知名大学在国家政策大力支持下，都成立了集成电路学院与未来技术学院。集成电路学院应担负起为国家培养集成无线电电子学人才的重任。未来技术学院要成为青年科技工作者真正着眼未来、自我放飞、天马行空、开拓进取的立足点！参考文献
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作者简介
关凹凸是作者的微信名，由作者的真名求逆而得。作者多年从事无线电科学与技术研究，并取得了一系列重要的成果。作者由于在封装天线技术方面的开创性贡献，获IEEE天线与传播学会谢昆诺夫（二十世纪麦克斯韦*）最佳论文奖，IEEE天线与传播学会克劳斯天线奖，2020年欧洲天线与传播大会丹麦皇家瓷盘（为纪念奥斯特发现电磁现象特制），2020年香港中文大学电子工程系金禧纪念杰出系友奖（为纪念诺贝尔物理学奖得主高锟教授创系50周年设立），IEEE电子封装学会2022年度杰出技术成就奖，2023年中国电子学会微波学报优秀论文奖等国内外学术荣誉奖项。目前，作者研究兴趣是芯片域无线电电子学。
*著名物理学家黄志询先生评语。
