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

━━━━━━

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

而有一個人已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行實驗了——是真正的實驗，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，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)品中使用了無數(shù)的電機(jī)，而這無數(shù)的電機(jī)則要消耗無數(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)器降低功率的時候，沒有什么好辦法使它慢下來。通常的解決方法是將一個物理屏障插入由泵推動的空氣流或水流中。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簡單的節(jié)能理念：讓驅(qū)動電機(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)時是不容易做到的。電壓過高，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）無法正常工作，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。

面對這些困難，通用電氣公司的一名負(fù)責(zé)空調(diào)機(jī)動力的經(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。”巴利加回憶起他的話。

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）?，F(xiàn)如今，此項發(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)的電氣和計算機(jī)工程教授。在他的職業(yè)生涯中，他不僅僅在追求實驗進(jìn)展，同時也在發(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。在這一路上，他收獲了許多榮譽(yù)，其中就包括2010年的美國國家技術(shù)和創(chuàng)新獎。

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，因為在他職業(yè)生涯開始的時候，他對這些器件根本毫無興趣。但作為一個年輕人，他闖入了這個領(lǐng)域，繼而發(fā)現(xiàn)了一塊驚人的沃土。

━━━━━━

巴利加擁有優(yōu)越的成長背景，他童年時住在印度班加羅爾當(dāng)時的郊區(qū)。他的父親在那里經(jīng)營著一個大型工廠，公司在工廠附近為他們家提供了一所宅邸。后來，他的父親成為了巴拉特電子有限公司的董事長兼總經(jīng)理。巴利加笑著回憶說：“我們家里有5個傭人和6個園丁，還有一輛配了專職司機(jī)的車——但整個院子都時常受到眼鏡蛇的騷擾?！苯柚赣H的工程類書庫，他培養(yǎng)了在電氣工程方面的興趣，這也成為他后來在印度理工學(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)了一個他更喜歡的科目。“我看了一些書，比如《費(fèi)曼物理學(xué)講義》。”巴利加深情地回憶道，“但我沒辦法從我當(dāng)時的電氣工程專業(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。”

1969年畢業(yè)后，巴利加選擇出國繼續(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制備砷化銦和銦砷化鎵半導(dǎo)體的技術(shù)，這一過程現(xiàn)在被稱為有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法。經(jīng)過一些初步的文獻(xiàn)研究，他發(fā)現(xiàn)這是一項危險的工作，因為所涉及的化合物如果暴露在空氣中會發(fā)生爆炸。

巴利加告訴他的導(dǎo)師：“如果出了問題，我和這棟樓里的其他人都會被炸死?！钡膶?dǎo)師甘地并沒有退縮，只是建議巴利加制造一個“密閉性極強(qiáng)的”反應(yīng)容器。實驗成功了，而這一經(jīng)歷教會了巴利加一個重要的道理：只要你用心去做，即使是最危險、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或貝爾實驗室找到一個研究職位。但他只有學(xué)生簽證，連這些名企的面試機(jī)會都得不到。后來，一個在附近的紐約州尼什卡納的通用電氣研究實驗室工作的同系研究生告訴他，通用電氣有一個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，“人們從20世紀(jì)50年代以來一直在研究功率器件。所有有意思的研究都已經(jīng)有人做過了。”但由于沒有更好的選擇，他只好申請并接受了這份工作。特別不想回印度的巴加利說：“這是我唯一的機(jī)會?！?/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，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節(jié)能變頻電機(jī)驅(qū)動器的需求后，巴利加設(shè)計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，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兼首席執(zhí)行官小杰克?F?韋爾奇（Jack F. Welch Jr.）進(jìn)行了匯報。這位董事長嚴(yán)苛的管理風(fēng)格為其贏得了“中子杰克”的綽號，巴利加解釋說：“如果他參觀工廠后不滿意，他離開工廠后所有人都會被炒魷魚——就像一顆中子炸彈?！?/p>

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）證實了在韋爾奇手下做事是怎樣的情形?！爱?dāng)時非常緊張。（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——這次匯報的壓力對于巴利加來說是前所未有的。他說：“很多職位都會命懸一線，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。但后來，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，無法用于變頻電機(jī)驅(qū)動，而已知用于提升晶體管關(guān)閉速度的方法將會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)威力毫無疑問是心頭之重，巴利加最終設(shè)計了一個巧妙的辦法提升IGBT的速度：電子輻照。

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

巴利加說：“從低頻到任意高頻，我都可以一直對速度進(jìn)行控制?！痹诙潭處讉€月內(nèi)，這一新工藝就被用于芯片的制造了。“大家對此都熱情高漲——高速器件實現(xiàn)了。他們可以開始用它進(jìn)行運(yùn)作。它立刻就會啟動起來。”

━━━━━━

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爭。而此時，通用電氣在制造超大規(guī)模集成電路中的投資形勢變得很不樂觀。1988年，韋爾奇決定賣掉通用電氣的整個半導(dǎo)體業(yè)務(wù)。這一舉動使巴利加的研究專長在該公司無用武之地了。

巴利加回憶說，老板表示會在公司的高級管理層為他找一個職位。他說：“但在我心里，我仍然覺得自己是一個科學(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)活動在當(dāng)時的美國是不存在的。這些并不意味著他不能創(chuàng)建自己的研究項目，但問題是，在哪里創(chuàng)建？

巴利加經(jīng)常訪問北卡羅萊納州的三角研究園，在那里，通用電氣公司有一個功率電子小組，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)體研究項目的系主任尼諾?馬斯納里（Nino Masnari）說道：“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)在那里度過了25年的教學(xué)和研究生涯了。奧巴馬總統(tǒng)在幾個月前也剛剛訪問過那里，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可再生電能配送和管理系統(tǒng)中心團(tuán)隊的幫助下贏取的。

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，寬帶隙MOSFET將足夠廉價可靠，足以取代IGBT。巴利加開玩笑說：“如果一切順利，我的那個大塊寶貝兒（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，但他一直以來都對寬帶隙對手表示支持。事實上，他在通用電氣開發(fā)IGBT期間，還發(fā)明了首個寬帶隙功率半導(dǎo)體——砷化鎵整流器。大約在同一時間，他設(shè)計了一種方法（現(xiàn)在被稱為巴利加優(yōu)值），根據(jù)基礎(chǔ)理論來計算使功率器件發(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)體的未來前景。關(guān)鍵在于，研究如何使這些特殊器件足夠廉價，足以與硅競爭，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?！斑@沒關(guān)系?！彼f，“人們能使用我的芯片，我就非常激動了?！?/p>

事實上，雖然人們并不了解他的功績，但世界各地數(shù)以百萬的人都在從巴利加開創(chuàng)的功率半導(dǎo)體中受益。并且，隨著對更高效的器件的需求不斷上升，他們無疑將會在未來的很多年內(nèi)繼續(xù)受益。