晶體管發(fā)明史

晶體管—— 20 世紀(jì)在電子技術(shù)方面最偉大的發(fā)明，推動(dòng)了信息革命，帶動(dòng)了產(chǎn)業(yè)革命，開(kāi)辟了億萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位，改變了人類(lèi)社會(huì)工作方式和生活方式，奠定了現(xiàn)代文明社會(huì)的基礎(chǔ)。

1 ．激動(dòng)人心的時(shí)刻

??? 1947 年 12 月 23 日，那是圣誕節(jié)的前一天，威廉肖克力把車(chē)開(kāi)到離紐約市 20 公里的貝爾實(shí)驗(yàn)室。那時(shí)天空陰暗，才早上 7 點(diǎn)，他匆忙走過(guò)空空蕩蕩的走廊，到達(dá)二樓辦公室。在那里，他心情激動(dòng)的等待著他的同事們。因?yàn)楫?dāng)天下午他們要向貝爾實(shí)驗(yàn)室的領(lǐng)導(dǎo)演示他們的新發(fā)明——不用電子管的放大器。

??? 大約一個(gè)小時(shí)后，約翰巴丁和瓦爾特布萊頓陸續(xù)來(lái)到實(shí)驗(yàn)室。巴丁進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單的計(jì)算，布萊頓和他的助手再一次檢查對(duì)那個(gè)神秘裝置的接線(xiàn)。布萊頓望著窗外連綿的細(xì)雨，心里嘀咕那是吉祥還是災(zāi)難的預(yù)兆。

??? 午餐后，貝爾實(shí)驗(yàn)事的各方面領(lǐng)導(dǎo)來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，其中有固體小組組長(zhǎng)肖克力，肖克力的上司、聲學(xué)家 Fletcher ，貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究室主任 Bown ，此外還有提供鍺樣品的 Gibney ，和巴丁、布萊頓在同一試驗(yàn)室的 Pearson ，負(fù)責(zé)接線(xiàn)測(cè)試的 Moore.

??? 展示在他們面前的，除了常規(guī)的儀器設(shè)備如示波器、信號(hào)發(fā)生器、變壓器、話(huà)筒、耳機(jī)、電表、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)之外，就是被他們圍繞著的神秘裝置。它是由兩邊包著金箔的塑料楔形體，由彈簧壓在鍺半導(dǎo)體表面上所組成的，兩部的金箔分別接信號(hào)的輸入端和輸出端，鍺半導(dǎo)體底部為共同端。

??? 在簡(jiǎn)短介紹之后，布萊頓接通電源和信號(hào)。從示波器熒光屏上顯示的，經(jīng)放大器前后的波形對(duì)比，可以看到信號(hào)是顯著的被放大了。布萊頓然后對(duì)著話(huà)筒隨意講一些話(huà)，帶著耳機(jī)的 Bown 臉上立刻露出驚奇的神情。它把耳機(jī)傳給 Fletcher ， Fletcher 聽(tīng)了之后不斷的搖頭驚嘆。這激動(dòng)人心的情景，令人回憶起 70 年代前電話(huà)的發(fā)明者亞歷山大貝爾在波士頓住所的閣樓上拿著話(huà)筒對(duì)他的助手說(shuō)：‘華生先生到這里來(lái)，我需要你'的現(xiàn)場(chǎng)。他們似乎預(yù)感到，科學(xué)發(fā)展史中另一個(gè)新篇章已經(jīng)開(kāi)始了。

2 ．漫長(zhǎng)而曲折的道路

??? 晶體管的發(fā)明是許許多多科學(xué)工作者辛勤工作的結(jié)晶。早在 20 世紀(jì) 30 年代，從事電話(huà)業(yè)務(wù)的企業(yè)就希望能有一種電子器件，它具有電子管的功能但卻沒(méi)有電子管的燈絲，因?yàn)榧訜釤艚z不僅消耗能量而且加熱需要時(shí)間，這就延長(zhǎng)了工作時(shí)的啟動(dòng)過(guò)程；再加上燈絲有一定的壽命，連續(xù)使用一年半載就要更換；此外，燈絲發(fā)出的熱量有時(shí)還需要排除。這些缺點(diǎn)給電子管設(shè)備的設(shè)計(jì)者、使用者、維修者帶來(lái)很多不便。對(duì)此，軍事部門(mén)需要解決的迫切性更為強(qiáng)烈。

??? 有鑒于此，當(dāng)時(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)室主任 Kelly 根據(jù) 19 世紀(jì)以來(lái)關(guān)于半導(dǎo)體在光照下能產(chǎn)生電流，以及它和金屬接觸能起到整流和檢波的作用的現(xiàn)象，認(rèn)為半導(dǎo)體有希望取代電子管。為此，要加強(qiáng)對(duì)固體物理基礎(chǔ)理論的研究。從 1936 年起開(kāi)始招聘有關(guān)的尖端人才，組成研究小組。肖克力那時(shí)和布萊頓都是其中的成員，他們共同研究的課題是氧化銅的工作原理。肖克力想以氧化銅制成三極管，但實(shí)驗(yàn)屢次失敗。

??? 1939 年貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家 Ohl 和 Scaff 制成兩個(gè)方向?qū)щ娦阅懿煌墓璋?，而且用光照時(shí)能產(chǎn)生電流。他們定義一端為 P 另一端為 N 。后來(lái) Theuzer 發(fā)現(xiàn)，將微量的硼加入融化的硅中，冷卻后即成為 P 型半導(dǎo)體，而將微量的磷加入后，即成 N 半導(dǎo)體。 1940 年 Kelly 召集布萊頓和其他一些人觀看 Ohl 做的光電效應(yīng)表演，布萊頓看了之后，連連搖頭說(shuō)：“這簡(jiǎn)直不可思議” 。因?yàn)樗ㄙM(fèi)多年心血研究出來(lái)的成果，其電流值還不到人家的 1/10 。

??? 隨著二戰(zhàn)爆發(fā)，肖克力和布萊頓都另有任務(wù)，他們的研究課題就擱置下來(lái)。二戰(zhàn)結(jié)束后，肖克力和布萊頓又回到了貝爾實(shí)驗(yàn)室，那時(shí) Kelly 已是貝爾實(shí)驗(yàn)室的副總經(jīng)理，他繼續(xù)推行研究固體物理的方針，于 1945 年成立固體物理研究小組，由肖克力任組長(zhǎng)。肖克力上任后做的第一件事就是聘用巴丁和其它一些科學(xué)家，第二件事是整理過(guò)去有關(guān)半導(dǎo)體方面的文獻(xiàn)，第三件事是到普渡大學(xué)調(diào)研，盡可能獲得最新信息，然后提出構(gòu)成一個(gè)半導(dǎo)體三極管的設(shè)想。那就是將一片金屬覆蓋在半導(dǎo)體上面，利用金屬與半導(dǎo)體之間的電壓所產(chǎn)生的電場(chǎng)來(lái)控制在半導(dǎo)體中通過(guò)的電流，這基本上是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。不幸的是，布萊頓等人進(jìn)行了多次試驗(yàn)都沒(méi)有成功。

??? 1946 年巴丁分析了失敗的原因，提出了表面狀態(tài)理論。即由于半導(dǎo)體的表面晶體有缺陷，它能捕獲電子，形成對(duì)電場(chǎng)的屏蔽，使場(chǎng)效應(yīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。 1947 年的下半年，他們已經(jīng)采用在金屬與半導(dǎo)體之間加入電解質(zhì)并在它和半導(dǎo)體之間通電以消除表面狀態(tài)的方法，使半導(dǎo)體的表面電阻能在一定范圍內(nèi)變化，但還存在沒(méi)有電壓增益以及頻率響應(yīng)只能達(dá)到 10Hz 等缺點(diǎn)。 1947 年 12 月 11 日，同組的物理化學(xué)家 Gibney 向他們提供了一個(gè) N 型鍺片，上面生成了氧化層（取代電解質(zhì)），在氧化層上面又沉淀了 5 個(gè)小金粒。布萊頓在金粒上面打了一個(gè)小洞，用鎢絲穿過(guò)小洞和氧化層達(dá)到半導(dǎo)體作為一個(gè)電極，希望通過(guò)改變金粒和半導(dǎo)體之間的電壓能改變電極和半導(dǎo)體之間的電阻（或流過(guò)半導(dǎo)體的電流）。布萊頓在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)金粒與半導(dǎo)體之間的電阻很小，二者幾乎形成短路，即氧化層沒(méi)有起絕緣作用。而當(dāng)布萊頓在金粒和鎢絲加上負(fù)電壓后，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有輸出信號(hào)。在操作過(guò)程中，布萊頓不小心將鎢絲和金粒短路，將金粒燒毀。布萊頓分析失敗的原因，是由于用水沖洗時(shí)將氧化層的氧化膜一起沖走，從而造成短路。他將鎢絲電極移到金粒的旁邊，加上負(fù)電壓，而在金粒上加了正電壓，突然間，在輸出端出現(xiàn)和輸入端變化相反的信號(hào)，巴丁和布萊頓立刻意識(shí)到一個(gè)歷史性的新紀(jì)元開(kāi)始了。初步測(cè)試的結(jié)果顯示：電壓放大倍數(shù)為 2 ，上限頻率可達(dá) 1 萬(wàn) Hz ，至此，前面所說(shuō)的兩個(gè)缺點(diǎn)都被克服。此后的幾天，他們把試驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，測(cè)得的功率增益為大于 18 。

??? 根據(jù)記錄，晶體管的發(fā)明時(shí)間應(yīng)該是 1947 年 12 月 15 日，根據(jù)小組成員對(duì)這項(xiàng)工作的貢獻(xiàn)大小，推舉巴丁和布萊頓為發(fā)明人。考慮肖克力在發(fā)明前后對(duì)晶體管理論的研究成就，他和巴布三人共同獲得 1956 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

3 ．發(fā)明以后

??? 那個(gè)“神秘裝置”表演成功以后，要給它起一個(gè)名字。按常規(guī)，這個(gè)光榮任務(wù)由巴丁和布萊頓來(lái)承擔(dān)。他們?yōu)榇擞喠藥讞l原則：第一，字節(jié)不要過(guò)長(zhǎng)，以 2 ～ 3 為度；第二，最后兩個(gè)字母應(yīng)該是 er 或 or ，表示與其它電子元件一致，例如： Resistor ；第三，要體現(xiàn)它的性能特點(diǎn)。巴和布苦思冥想了好久，始終沒(méi)能提出合適的。有一天，恰巧以寫(xiě)科幻小說(shuō)出名的作家 Pierce 從他們辦公室門(mén)口走過(guò)，他們急忙把他攔住，說(shuō)：“你正是我們要找的人！”陳述原委之后， Pierce 問(wèn)：“他的特點(diǎn)是什么？ ' 答：“和電子管相仿?！庇謫?wèn)：“電子管最突出的性能是什么？”答：“ Transconductance ?！?Pierce 一拍腦袋說(shuō)：“那么就叫 Transresistor 如何？”他們認(rèn)為這個(gè)主意不錯(cuò)，但字節(jié)太長(zhǎng)，于是就把它壓縮成為 Transistor 。 20 世紀(jì) 50 年代我國(guó)科學(xué)家按上述三原則把它譯成晶體管，延用至今。

??? 晶體管的發(fā)明是研究小組送給貝爾實(shí)驗(yàn)室的最豐盛的圣誕禮物，有關(guān)的人門(mén)無(wú)不歡欣鼓舞，然而有一位卻例外，那就是肖克力。他自幼天資聰明，從不甘居后，但在這場(chǎng)戰(zhàn)役中，他作為一組之長(zhǎng)，既沒(méi)有身先士卒又沒(méi)有親自指揮，沒(méi)有被列入發(fā)明家是理所當(dāng)然的，這使他的自尊心受到很大的打擊。沮喪之余，他又轉(zhuǎn)回來(lái)研究晶體管，但不是和大家一起集中精力開(kāi)發(fā)巴丁和布萊頓發(fā)明的點(diǎn)觸式晶體管，而是研究用 PN 結(jié)代替點(diǎn)接觸，這樣做在工藝上比較容易實(shí)現(xiàn)而且性能比較穩(wěn)定可靠。然而他卻不和巴丁、布萊頓進(jìn)行交流，而是背著大家干。于是巴丁和布萊頓逐漸離開(kāi)小組到其它崗位，而肖克力提出的場(chǎng)效應(yīng)管和結(jié)型晶體管的研究工作倒也取得很大進(jìn)展?？吹桨雽?dǎo)體形式大好，肖克力于 1955 年脫離貝爾實(shí)驗(yàn)室， 1956 年在加州硅谷創(chuàng)建他自己的“肖克力半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室”，并從貝爾實(shí)驗(yàn)室和其它單位招聘一些杰出的科學(xué)家，想大干一場(chǎng)，但由于經(jīng)營(yíng)不等原因，實(shí)驗(yàn)室于 1965 年倒閉。

??? 鑒于晶體管發(fā)明后小組人才不斷流失的情況，貝爾實(shí)驗(yàn)室放棄了自己開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)晶體管的設(shè)想，而把這項(xiàng)任務(wù)通過(guò)出售產(chǎn)品許可證的方式轉(zhuǎn)移給有關(guān)企業(yè)。首先得到許可證的有： RCA 、 GE 、 Philco 、 Westinghouse 等八家制造電子管的公司，到 1956 年，貝餌實(shí)驗(yàn)室已從中收入百萬(wàn)元，相當(dāng)于從一開(kāi)始到 1949 年全部研究晶體管的費(fèi)用。在應(yīng)用方面， 1953 年首先用于助聽(tīng)器， 1954 年德州儀器公司（ TI ）制成硅三極管并用它制成第一批晶體管收音機(jī)，售價(jià) 49.95 美元，不久這個(gè)市場(chǎng)卻被日本的索尼（當(dāng)時(shí)是一個(gè)不知名的小公司）公司所占有。到了 1958 年至 1959 年， TI 的 Kilby 和仙童 (Fairchild) 的 Noyce 都提出制造集成電路的具體工藝措施， Kilby 還在國(guó)際會(huì)議上展出他制造的集成觸發(fā)器和相移式正弦波振蕩器。至此，由巴丁和布萊頓在 1947 年點(diǎn)燃的晶體管星星之火，已經(jīng)開(kāi)始形成燎原之勢(shì)。