IEEE榮譽勛章獲得者B·賈揚·巴利加為功率半導體領域注入活力

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20世紀70年代后期，美國的經濟仍然受到多年超高油價的影響，卡特總統竭力想扭轉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，總統先生。我們可能會犯錯誤，但我們已經準備好進行實驗了。”

而有一個人已經準備好進行實驗了——是真正的實驗，他就是B?賈揚?巴利加（B. Jayant Baliga）——曾經的IEEE榮譽勛章獲得者。當時，他正在為通用電氣公司開發半導體功率器件，該公司在其眾多的產品中使用了無數的電機，而這無數的電機則要消耗無數功率。

這些電機多數是感應電機，其轉速由電源線頻率控制。因此，當需要機器降低功率的時候，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能理念：讓驅動電機到達預想轉速就可以了。但這需要增加電子器件，以可變頻率向電機的繞組輸送功率，這在當時是不容易做到的。電壓過高，金屬氧化物半導體場效應晶體管（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電路。

面對這些困難，通用電氣公司的一名負責空調機動力的經理向公司的研發人員發出了呼吁。“你們需要給我一些創新，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，他發明了絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。現如今，此項發明被廣泛應用于家用電器、工業機器人、熒光燈、汽車、火車、電視、光伏設備——任何需要隨時快速開關高壓電的地方。

雖然IGBT非常有影響力，但巴利加在功率半導體領域的貢獻遠不止于此。如今，他已經成為了羅利市北卡羅萊納州立大學的電氣和計算機工程教授。在他的職業生涯中，他不僅僅在追求實驗進展，同時也在發展基礎半導體理論、撰寫教材，并努力將器件商業化，推向市場。在這一路上，他收獲了許多榮譽，其中就包括2010年的美國國家技術和創新獎。

巴利加在現代功率半導體發展中能起到舉足輕重的作用是出人意料的，因為在他職業生涯開始的時候，他對這些器件根本毫無興趣。但作為一個年輕人，他闖入了這個領域，繼而發現了一塊驚人的沃土。

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巴利加擁有優越的成長背景，他童年時住在印度班加羅爾當時的郊區。他的父親在那里經營著一個大型工廠，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的車——但整個院子都時常受到眼鏡蛇的騷擾。”借助父親的工程類書庫，他培養了在電氣工程方面的興趣，這也成為他后來在印度理工學院馬德拉斯分院所學習的專業。

在那里，他最終發現了一個他更喜歡的科目。“我看了一些書，比如《費曼物理學講義》。”巴利加深情地回憶道，“但我沒辦法從我當時的電氣工程專業轉到物理學專業。所以我想，我只能退而求其次，也就是研究半導體。”

1969年畢業后，巴利加選擇出國繼續深造，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院。他被錄取了，開始在索拉博?K?甘地（Sorab K. Ghandhi）的指導下研究半導體工程。

作為一名碩士研究生，巴利加研究了砷化鎵半導體。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體的技術，這一過程現在被稱為有機金屬化學氣相沉積法。經過一些初步的文獻研究，他發現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生爆炸。

巴利加告訴他的導師：“如果出了問題，我和這棟樓里的其他人都會被炸死。”但他的導師甘地并沒有退縮，只是建議巴利加制造一個“密閉性極強的”反應容器。實驗成功了，而這一經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、最困難的技術挑戰也是可以克服的。

1974年，在獲得博士學位后，巴利加希望在IBM或貝爾實驗室找到一個研究職位。但他只有學生簽證，連這些名企的面試機會都得不到。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。“我為什么要研究功率器件呢？”他回憶說，“人們從20世紀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：“這是我唯一的機會。”

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體器件。啟動晶閘管很容易，但要關閉它們，則須等到電壓極性反轉，這就嚴重制約了其應用。但是，在研究晶閘管時，巴利加得到了一些啟示：他發現它們可以被改造，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閉。在了解到通用電氣對節能變頻電機驅動器的需求后，巴利加設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合，而當時，這兩種器件在半導體世界中被認為是完全不相關的。

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’。”他將這兩種技術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生產線，這種新晶體管可以相對容易地進行制造。

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行官小杰克?F?韋爾奇（Jack F. Welch Jr.）進行了匯報。這位董事長嚴苛的管理風格為其贏得了“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。”

曾與巴利加在通用共事、現為威斯康星大學麥迪遜分校工程教授的托馬斯?揚斯（Thomas Jahns）證實了在韋爾奇手下做事是怎樣的情形。“當時非常緊張。（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。”

1981年初，韋爾奇前往通用電氣的研究中心，聽取有關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。”但一切進行順利，在一年之內，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，以避免應用工程師混淆。

新的IGBT成功地避免了災難性的“閉鎖效應”——在晶體管關閉之后仍像晶閘管一樣持續導通電流。但它的關閉速度還是太慢，無法用于變頻電機驅動，而已知用于提升晶體管關閉速度的方法將會破壞此類金屬氧化物半導體（MOS）器件。巴利加回憶起同事們失望的結論：“我們可以將它用于60赫茲。也許能用在蒸汽熨斗上。”

韋爾奇的中子爆發威力毫無疑問是心頭之重，巴利加最終設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MOS結構，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行控制。”在短短幾個月內，這一新工藝就被用于芯片的制造了。“大家對此都熱情高漲——高速器件實現了。他們可以開始用它進行運作。它立刻就會啟動起來。”

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IGBT廣泛蔓延之地包括日本，在那里，富士電機、日立、三菱電機以及其他企業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體業務。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家。”但其他公司能提供給他的職位并不具有吸引力，而且功率器件的學術活動在當時的美國是不存在的。這些并不意味著他不能創建自己的研究項目，但問題是，在哪里創建？

巴利加經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的互補金屬氧化物半導體（CMOS）生產線。有了這些設施，他相信可以在附近的北卡羅萊納州立大學很好地進行研究工作了。而這所大學正急于將他招至麾下。當時負責在新開發的衛星校區建立半導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。”

因此，在1988年8月，巴利加搬到了北卡羅萊納州，至迄今為止，他已經在那里度過了25年的教學和研究生涯了。奧巴馬總統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新研究院以及為該所大學提供相應的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中心團隊的幫助下贏取的。

這所由聯邦政府資助的新建機構的目標之一是：加快MOSFET和其他由寬帶隙半導體制成的功率器件的開發，這些器件的性能要優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。”

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IGBT期間，還發明了首個寬帶隙功率半導體——砷化鎵整流器。大約在同一時間，他設計了一種方法（現在被稱為巴利加優值），根據基礎理論來計算使功率器件發揮最佳功能的最優半導體類型——他強調了碳化硅以及其他寬帶隙半導體的未來前景。關鍵在于，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生以及許多其他研究人員正在積極爭取達到的目標。

巴利加也參與到了開辦創業公司的潮流中。在21世紀，他創辦的公司所創造的功率半導體器件被用于蜂窩基站，還被用于控制輸送到現代微處理器的巨大電流——這也只是舉兩個例子而已。雖然所有的發明在商業上都取得了成功，但這些都沒有讓他變得富有。“這沒關系。”他說，“人們能使用我的芯片，我就非常激動了。”

事實上，雖然人們并不了解他的功績，但世界各地數以百萬的人都在從巴利加開創的功率半導體中受益。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繼續受益。