IEEE榮譽(yù)勛章獲得者B·賈揚(yáng)·巴利加為功率半導(dǎo)體領(lǐng)域注入活力

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20世紀(jì)70年代后期，美國(guó)的經(jīng)濟(jì)仍然受到多年超高油價(jià)的影響，卡特總統(tǒng)竭力想扭轉(zhuǎn)國(guó)家繁榮與民眾士氣日趨下降的頹勢(shì)。為了在群眾中尋找智慧，他把普通市民帶到了戴維營(yíng)（Camp David），正如后來(lái)他在著名的“萎靡演講”中所講述的，這些人告訴他：“大膽些，總統(tǒng)先生。我們可能會(huì)犯錯(cuò)誤，但我們已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行實(shí)驗(yàn)了?！?/p>

而有一個(gè)人已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行實(shí)驗(yàn)了——是真正的實(shí)驗(yàn)，他就是B?賈揚(yáng)?巴利加（B. Jayant Baliga）——曾經(jīng)的IEEE榮譽(yù)勛章獲得者。當(dāng)時(shí)，他正在為通用電氣公司開發(fā)半導(dǎo)體功率器件，該公司在其眾多的產(chǎn)品中使用了無(wú)數(shù)的電機(jī)，而這無(wú)數(shù)的電機(jī)則要消耗無(wú)數(shù)功率。

這些電機(jī)多數(shù)是感應(yīng)電機(jī)，其轉(zhuǎn)速由電源線頻率控制。因此，當(dāng)需要機(jī)器降低功率的時(shí)候，沒有什么好辦法使它慢下來(lái)。通常的解決方法是將一個(gè)物理屏障插入由泵推動(dòng)的空氣流或水流中。難怪那一代的電器效率都極其低下。

通用電氣公司的一些工程師想探索一個(gè)簡(jiǎn)單的節(jié)能理念：讓驅(qū)動(dòng)電機(jī)到達(dá)預(yù)想轉(zhuǎn)速就可以了。但這需要增加電子器件，以可變頻率向電機(jī)的繞組輸送功率，這在當(dāng)時(shí)是不容易做到的。電壓過(guò)高，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）無(wú)法正常工作，而普通的雙極功率晶體管則需要既笨重又昂貴的控制和保護(hù)電路。

面對(duì)這些困難，通用電氣公司的一名負(fù)責(zé)空調(diào)機(jī)動(dòng)力的經(jīng)理向公司的研發(fā)人員發(fā)出了呼吁?！澳銈冃枰o我一些創(chuàng)新，讓我的生意成功啊?！卑屠踊貞浧鹚脑挕?/p>

而這正是巴利加所做的。1980年前后，他發(fā)明了絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。現(xiàn)如今，此項(xiàng)發(fā)明被廣泛應(yīng)用于家用電器、工業(yè)機(jī)器人、熒光燈、汽車、火車、電視、光伏設(shè)備——任何需要隨時(shí)快速開關(guān)高壓電的地方。

雖然IGBT非常有影響力，但巴利加在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不止于此。如今，他已經(jīng)成為了羅利市北卡羅萊納州立大學(xué)的電氣和計(jì)算機(jī)工程教授。在他的職業(yè)生涯中，他不僅僅在追求實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，同時(shí)也在發(fā)展基礎(chǔ)半導(dǎo)體理論、撰寫教材，并努力將器件商業(yè)化，推向市場(chǎng)。在這一路上，他收獲了許多榮譽(yù)，其中就包括2010年的美國(guó)國(guó)家技術(shù)和創(chuàng)新獎(jiǎng)。

巴利加在現(xiàn)代功率半導(dǎo)體發(fā)展中能起到舉足輕重的作用是出人意料的，因?yàn)樵谒殬I(yè)生涯開始的時(shí)候，他對(duì)這些器件根本毫無(wú)興趣。但作為一個(gè)年輕人，他闖入了這個(gè)領(lǐng)域，繼而發(fā)現(xiàn)了一塊驚人的沃土。

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巴利加擁有優(yōu)越的成長(zhǎng)背景，他童年時(shí)住在印度班加羅爾當(dāng)時(shí)的郊區(qū)。他的父親在那里經(jīng)營(yíng)著一個(gè)大型工廠，公司在工廠附近為他們家提供了一所宅邸。后來(lái)，他的父親成為了巴拉特電子有限公司的董事長(zhǎng)兼總經(jīng)理。巴利加笑著回憶說(shuō)：“我們家里有5個(gè)傭人和6個(gè)園丁，還有一輛配了專職司機(jī)的車——但整個(gè)院子都時(shí)常受到眼鏡蛇的騷擾?！苯柚赣H的工程類書庫(kù)，他培養(yǎng)了在電氣工程方面的興趣，這也成為他后來(lái)在印度理工學(xué)院馬德拉斯分院所學(xué)習(xí)的專業(yè)。

在那里，他最終發(fā)現(xiàn)了一個(gè)他更喜歡的科目。“我看了一些書，比如《費(fèi)曼物理學(xué)講義》?！卑屠由钋榈鼗貞浀溃暗覜]辦法從我當(dāng)時(shí)的電氣工程專業(yè)轉(zhuǎn)到物理學(xué)專業(yè)。所以我想，我只能退而求其次，也就是研究半導(dǎo)體?！?/p>

1969年畢業(yè)后，巴利加選擇出國(guó)繼續(xù)深造，這似乎是逃脫他父親——印度最杰出的電氣工程師之一的陰影的最好方法。于是，他申請(qǐng)了紐約州特洛伊的倫斯勒理工學(xué)院。他被錄取了，開始在索拉博?K?甘地（Sorab K. Ghandhi）的指導(dǎo)下研究半導(dǎo)體工程。

作為一名碩士研究生，巴利加研究了砷化鎵半導(dǎo)體。在博士期間，他決定研究一種可以被用來(lái)制備砷化銦和銦砷化鎵半導(dǎo)體的技術(shù)，這一過(guò)程現(xiàn)在被稱為有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法。經(jīng)過(guò)一些初步的文獻(xiàn)研究，他發(fā)現(xiàn)這是一項(xiàng)危險(xiǎn)的工作，因?yàn)樗婕暗幕衔锶绻┞对诳諝庵袝?huì)發(fā)生爆炸。

巴利加告訴他的導(dǎo)師：“如果出了問(wèn)題，我和這棟樓里的其他人都會(huì)被炸死?！钡膶?dǎo)師甘地并沒有退縮，只是建議巴利加制造一個(gè)“密閉性極強(qiáng)的”反應(yīng)容器。實(shí)驗(yàn)成功了，而這一經(jīng)歷教會(huì)了巴利加一個(gè)重要的道理：只要你用心去做，即使是最危險(xiǎn)、最困難的技術(shù)挑戰(zhàn)也是可以克服的。

1974年，在獲得博士學(xué)位后，巴利加希望在IBM或貝爾實(shí)驗(yàn)室找到一個(gè)研究職位。但他只有學(xué)生簽證，連這些名企的面試機(jī)會(huì)都得不到。后來(lái)，一個(gè)在附近的紐約州尼什卡納的通用電氣研究實(shí)驗(yàn)室工作的同系研究生告訴他，通用電氣有一個(gè)研究功率器件的職位，如果巴利加愿意，他可以幫忙安排面試。

巴利加并沒有太高熱情?！拔覟槭裁匆芯抗β势骷?？”他回憶說(shuō)，“人們從20世紀(jì)50年代以來(lái)一直在研究功率器件。所有有意思的研究都已經(jīng)有人做過(guò)了?！钡捎跊]有更好的選擇，他只好申請(qǐng)并接受了這份工作。特別不想回印度的巴加利說(shuō)：“這是我唯一的機(jī)會(huì)?！?/p>

他早期在通用電氣的研究涉及了晶閘管——目前主要用于處理極高電壓的半導(dǎo)體器件。啟動(dòng)晶閘管很容易，但要關(guān)閉它們，則須等到電壓極性反轉(zhuǎn)，這就嚴(yán)重制約了其應(yīng)用。但是，在研究晶閘管時(shí)，巴利加得到了一些啟示：他發(fā)現(xiàn)它們可以被改造，使其像普通的晶體管一樣工作，也就是可以按照指令打開和關(guān)閉。在了解到通用電氣對(duì)節(jié)能變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的需求后，巴利加設(shè)計(jì)出了一種晶閘管狀的裝置，將MOSFET和雙極型晶體管的最佳屬性相結(jié)合，而當(dāng)時(shí)，這兩種器件在半導(dǎo)體世界中被認(rèn)為是完全不相關(guān)的。

巴利加自嘲道：“這就像吉卜林的那句‘東是東，西是西，東西永古不相期’?！彼麑⑦@兩種技術(shù)在一個(gè)器件中融合的建議是大膽的，但他表示，利用通用公司的一條MOSFET生產(chǎn)線，這種新晶體管可以相對(duì)容易地進(jìn)行制造。

同事們將巴利加的想法向通用電氣公司的新任董事長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官小杰克?F?韋爾奇（Jack F. Welch Jr.）進(jìn)行了匯報(bào)。這位董事長(zhǎng)嚴(yán)苛的管理風(fēng)格為其贏得了“中子杰克”的綽號(hào)，巴利加解釋說(shuō)：“如果他參觀工廠后不滿意，他離開工廠后所有人都會(huì)被炒魷魚——就像一顆中子炸彈。”

曾與巴利加在通用共事、現(xiàn)為威斯康星大學(xué)麥迪遜分校工程教授的托馬斯?揚(yáng)斯（Thomas Jahns）證實(shí)了在韋爾奇手下做事是怎樣的情形?！爱?dāng)時(shí)非常緊張。（研究人員）被召集到一起提供解決方案：你要么交方案，要么走人?！?/p>

1981年初，韋爾奇前往通用電氣的研究中心，聽取有關(guān)新晶體管理念的匯報(bào)——這次匯報(bào)的壓力對(duì)于巴利加來(lái)說(shuō)是前所未有的。他說(shuō)：“很多職位都會(huì)命懸一線，特別是我的?！钡磺羞M(jìn)行順利，在一年之內(nèi)，巴利加和他的同事就開始制造這種新型晶片了。最初，他稱這種裝置為“絕緣柵整流器”，試圖將它與普通的晶體管區(qū)別開來(lái)。但后來(lái)，他將其更名為絕緣柵雙極型晶體管，以避免應(yīng)用工程師混淆。

新的IGBT成功地避免了災(zāi)難性的“閉鎖效應(yīng)”——在晶體管關(guān)閉之后仍像晶閘管一樣持續(xù)導(dǎo)通電流。但它的關(guān)閉速度還是太慢，無(wú)法用于變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而已知用于提升晶體管關(guān)閉速度的方法將會(huì)破壞此類金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）器件。巴利加回憶起同事們失望的結(jié)論：“我們可以將它用于60赫茲。也許能用在蒸汽熨斗上?！?/p>

韋爾奇的中子爆發(fā)威力毫無(wú)疑問(wèn)是心頭之重，巴利加最終設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的辦法提升IGBT的速度：電子輻照。

這種方法曾被用于雙極型功率整流器，但它會(huì)損壞MOS器件。巴利加想到了如何用最低的熱量來(lái)修復(fù)MOS結(jié)構(gòu)，同時(shí)提升速度的方法。

巴利加說(shuō)：“從低頻到任意高頻，我都可以一直對(duì)速度進(jìn)行控制?！痹诙潭處讉€(gè)月內(nèi)，這一新工藝就被用于芯片的制造了?！按蠹覍?duì)此都熱情高漲——高速器件實(shí)現(xiàn)了。他們可以開始用它進(jìn)行運(yùn)作。它立刻就會(huì)啟動(dòng)起來(lái)?！?/p>

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IGBT廣泛蔓延之地包括日本，在那里，富士電機(jī)、日立、三菱電機(jī)以及其他企業(yè)對(duì)巴利加的工作表示出了興趣，并最終開始制造這些器件，與通用形成了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。而此時(shí)，通用電氣在制造超大規(guī)模集成電路中的投資形勢(shì)變得很不樂觀。1988年，韋爾奇決定賣掉通用電氣的整個(gè)半導(dǎo)體業(yè)務(wù)。這一舉動(dòng)使巴利加的研究專長(zhǎng)在該公司無(wú)用武之地了。

巴利加回憶說(shuō)，老板表示會(huì)在公司的高級(jí)管理層為他找一個(gè)職位。他說(shuō)：“但在我心里，我仍然覺得自己是一個(gè)科學(xué)家?！钡渌灸芴峁┙o他的職位并不具有吸引力，而且功率器件的學(xué)術(shù)活動(dòng)在當(dāng)時(shí)的美國(guó)是不存在的。這些并不意味著他不能創(chuàng)建自己的研究項(xiàng)目，但問(wèn)題是，在哪里創(chuàng)建？

巴利加經(jīng)常訪問(wèn)北卡羅萊納州的三角研究園，在那里，通用電氣公司有一個(gè)功率電子小組，而且他知道，北卡羅萊納微電子中心（MCNC）在那里配有一條最先進(jìn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）生產(chǎn)線。有了這些設(shè)施，他相信可以在附近的北卡羅萊納州立大學(xué)很好地進(jìn)行研究工作了。而這所大學(xué)正急于將他招至麾下。當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)在新開發(fā)的衛(wèi)星校區(qū)建立半導(dǎo)體研究項(xiàng)目的系主任尼諾?馬斯納里（Nino Masnari）說(shuō)道：“他本可以去任何地方的?！?/p>

因此，在1988年8月，巴利加搬到了北卡羅萊納州，至迄今為止，他已經(jīng)在那里度過(guò)了25年的教學(xué)和研究生涯了。奧巴馬總統(tǒng)在幾個(gè)月前也剛剛訪問(wèn)過(guò)那里，宣布成立下一代功率電子創(chuàng)新研究院以及為該所大學(xué)提供相應(yīng)的1.4億美元的撥款，而這是在巴利加的未來(lái)可再生電能配送和管理系統(tǒng)中心團(tuán)隊(duì)的幫助下贏取的。

這所由聯(lián)邦政府資助的新建機(jī)構(gòu)的目標(biāo)之一是：加快MOSFET和其他由寬帶隙半導(dǎo)體制成的功率器件的開發(fā)，這些器件的性能要優(yōu)于那些由硅制成的器件。將來(lái)，寬帶隙MOSFET將足夠廉價(jià)可靠，足以取代IGBT。巴利加開玩笑說(shuō)：“如果一切順利，我的那個(gè)大塊寶貝兒（IGBT）就該離開了?！?/p>

但他并不在意。盡管巴利加是窄帶隙器件硅制IGBT之父，但他一直以來(lái)都對(duì)寬帶隙對(duì)手表示支持。事實(shí)上，他在通用電氣開發(fā)IGBT期間，還發(fā)明了首個(gè)寬帶隙功率半導(dǎo)體——砷化鎵整流器。大約在同一時(shí)間，他設(shè)計(jì)了一種方法（現(xiàn)在被稱為巴利加優(yōu)值），根據(jù)基礎(chǔ)理論來(lái)計(jì)算使功率器件發(fā)揮最佳功能的最優(yōu)半導(dǎo)體類型——他強(qiáng)調(diào)了碳化硅以及其他寬帶隙半導(dǎo)體的未來(lái)前景。關(guān)鍵在于，研究如何使這些特殊器件足夠廉價(jià)，足以與硅競(jìng)爭(zhēng)，這是巴利加和他的學(xué)生以及許多其他研究人員正在積極爭(zhēng)取達(dá)到的目標(biāo)。

巴利加也參與到了開辦創(chuàng)業(yè)公司的潮流中。在21世紀(jì)，他創(chuàng)辦的公司所創(chuàng)造的功率半導(dǎo)體器件被用于蜂窩基站，還被用于控制輸送到現(xiàn)代微處理器的巨大電流——這也只是舉兩個(gè)例子而已。雖然所有的發(fā)明在商業(yè)上都取得了成功，但這些都沒有讓他變得富有。“這沒關(guān)系?！彼f(shuō)，“人們能使用我的芯片，我就非常激動(dòng)了?！?/p>

事實(shí)上，雖然人們并不了解他的功績(jī)，但世界各地?cái)?shù)以百萬(wàn)的人都在從巴利加開創(chuàng)的功率半導(dǎo)體中受益。并且，隨著對(duì)更高效的器件的需求不斷上升，他們無(wú)疑將會(huì)在未來(lái)的很多年內(nèi)繼續(xù)受益。