晶體管發明史

晶體管—— 20 世紀在電子技術方面最偉大的發明，推動了信息革命，帶動了產業革命，開辟了億萬個就業崗位，改變了人類社會工作方式和生活方式，奠定了現代文明社會的基礎。

1 ．激動人心的時刻

??? 1947 年 12 月 23 日，那是圣誕節的前一天，威廉肖克力把車開到離紐約市 20 公里的貝爾實驗室。那時天空陰暗，才早上 7 點，他匆忙走過空空蕩蕩的走廊，到達二樓辦公室。在那里，他心情激動的等待著他的同事們。因為當天下午他們要向貝爾實驗室的領導演示他們的新發明——不用電子管的放大器。

??? 大約一個小時后，約翰巴丁和瓦爾特布萊頓陸續來到實驗室。巴丁進行了一些簡單的計算，布萊頓和他的助手再一次檢查對那個神秘裝置的接線。布萊頓望著窗外連綿的細雨，心里嘀咕那是吉祥還是災難的預兆。

??? 午餐后，貝爾實驗事的各方面領導來到實驗室，其中有固體小組組長肖克力，肖克力的上司、聲學家 Fletcher ，貝爾實驗室的研究室主任 Bown ，此外還有提供鍺樣品的 Gibney ，和巴丁、布萊頓在同一試驗室的 Pearson ，負責接線測試的 Moore.

??? 展示在他們面前的，除了常規的儀器設備如示波器、信號發生器、變壓器、話筒、耳機、電表、轉換開關之外，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，由彈簧壓在鍺半導體表面上所組成的，兩部的金箔分別接信號的輸入端和輸出端，鍺半導體底部為共同端。

??? 在簡短介紹之后，布萊頓接通電源和信號。從示波器熒光屏上顯示的，經放大器前后的波形對比，可以看到信號是顯著的被放大了。布萊頓然后對著話筒隨意講一些話，帶著耳機的 Bown 臉上立刻露出驚奇的神情。它把耳機傳給 Fletcher ， Fletcher 聽了之后不斷的搖頭驚嘆。這激動人心的情景，令人回憶起 70 年代前電話的發明者亞歷山大貝爾在波士頓住所的閣樓上拿著話筒對他的助手說：‘華生先生到這里來，我需要你'的現場。他們似乎預感到，科學發展史中另一個新篇章已經開始了。

2 ．漫長而曲折的道路

??? 晶體管的發明是許許多多科學工作者辛勤工作的結晶。早在 20 世紀 30 年代，從事電話業務的企業就希望能有一種電子器件，它具有電子管的功能但卻沒有電子管的燈絲，因為加熱燈絲不僅消耗能量而且加熱需要時間，這就延長了工作時的啟動過程；再加上燈絲有一定的壽命，連續使用一年半載就要更換；此外，燈絲發出的熱量有時還需要排除。這些缺點給電子管設備的設計者、使用者、維修者帶來很多不便。對此，軍事部門需要解決的迫切性更為強烈。

??? 有鑒于此，當時貝爾實驗室主任 Kelly 根據 19 世紀以來關于半導體在光照下能產生電流，以及它和金屬接觸能起到整流和檢波的作用的現象，認為半導體有希望取代電子管。為此，要加強對固體物理基礎理論的研究。從 1936 年起開始招聘有關的尖端人才，組成研究小組。肖克力那時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，但實驗屢次失敗。

??? 1939 年貝爾實驗室的科學家 Ohl 和 Scaff 制成兩個方向導電性能不同的硅棒，而且用光照時能產生電流。他們定義一端為 P 另一端為 N 。后來 Theuzer 發現，將微量的硼加入融化的硅中，冷卻后即成為 P 型半導體，而將微量的磷加入后，即成 N 半導體。 1940 年 Kelly 召集布萊頓和其他一些人觀看 Ohl 做的光電效應表演，布萊頓看了之后，連連搖頭說：“這簡直不可思議” 。因為他花費多年心血研究出來的成果，其電流值還不到人家的 1/10 。

??? 隨著二戰爆發，肖克力和布萊頓都另有任務，他們的研究課題就擱置下來。二戰結束后，肖克力和布萊頓又回到了貝爾實驗室，那時 Kelly 已是貝爾實驗室的副總經理，他繼續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。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家，第二件事是整理過去有關半導體方面的文獻，第三件事是到普渡大學調研，盡可能獲得最新信息，然后提出構成一個半導體三極管的設想。那就是將一片金屬覆蓋在半導體上面，利用金屬與半導體之間的電壓所產生的電場來控制在半導體中通過的電流，這基本上是結型場效應管的工作原理。不幸的是，布萊頓等人進行了多次試驗都沒有成功。

??? 1946 年巴丁分析了失敗的原因，提出了表面狀態理論。即由于半導體的表面晶體有缺陷，它能捕獲電子，形成對電場的屏蔽，使場效應無法實現。 1947 年的下半年，他們已經采用在金屬與半導體之間加入電解質并在它和半導體之間通電以消除表面狀態的方法，使半導體的表面電阻能在一定范圍內變化，但還存在沒有電壓增益以及頻率響應只能達到 10Hz 等缺點。 1947 年 12 月 11 日，同組的物理化學家 Gibney 向他們提供了一個 N 型鍺片，上面生成了氧化層（取代電解質），在氧化層上面又沉淀了 5 個小金粒。布萊頓在金粒上面打了一個小洞，用鎢絲穿過小洞和氧化層達到半導體作為一個電極，希望通過改變金粒和半導體之間的電壓能改變電極和半導體之間的電阻（或流過半導體的電流）。布萊頓在做實驗時，發現金粒與半導體之間的電阻很小，二者幾乎形成短路，即氧化層沒有起絕緣作用。而當布萊頓在金粒和鎢絲加上負電壓后，發現沒有輸出信號。在操作過程中，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，加上負電壓，而在金粒上加了正電壓，突然間，在輸出端出現和輸入端變化相反的信號，巴丁和布萊頓立刻意識到一個歷史性的新紀元開始了。初步測試的結果顯示：電壓放大倍數為 2 ，上限頻率可達 1 萬 Hz ，至此，前面所說的兩個缺點都被克服。此后的幾天，他們把試驗裝置進行了改進，測得的功率增益為大于 18 。

??? 根據記錄，晶體管的發明時間應該是 1947 年 12 月 15 日，根據小組成員對這項工作的貢獻大小，推舉巴丁和布萊頓為發明人。考慮肖克力在發明前后對晶體管理論的研究成就，他和巴布三人共同獲得 1956 年諾貝爾物理學獎。

3 ．發明以后

??? 那個“神秘裝置”表演成功以后，要給它起一個名字。按常規，這個光榮任務由巴丁和布萊頓來承擔。他們為此訂了幾條原則：第一，字節不要過長，以 2 ～ 3 為度；第二，最后兩個字母應該是 er 或 or ，表示與其它電子元件一致，例如： Resistor ；第三，要體現它的性能特點。巴和布苦思冥想了好久，始終沒能提出合適的。有一天，恰巧以寫科幻小說出名的作家 Pierce 從他們辦公室門口走過，他們急忙把他攔住，說：“你正是我們要找的人！”陳述原委之后， Pierce 問：“他的特點是什么？ ' 答：“和電子管相仿。”又問：“電子管最突出的性能是什么？”答：“ Transconductance 。” Pierce 一拍腦袋說：“那么就叫 Transresistor 如何？”他們認為這個主意不錯，但字節太長，于是就把它壓縮成為 Transistor 。 20 世紀 50 年代我國科學家按上述三原則把它譯成晶體管，延用至今。

??? 晶體管的發明是研究小組送給貝爾實驗室的最豐盛的圣誕禮物，有關的人門無不歡欣鼓舞，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，但在這場戰役中，他作為一組之長，既沒有身先士卒又沒有親自指揮，沒有被列入發明家是理所當然的，這使他的自尊心受到很大的打擊。沮喪之余，他又轉回來研究晶體管，但不是和大家一起集中精力開發巴丁和布萊頓發明的點觸式晶體管，而是研究用 PN 結代替點接觸，這樣做在工藝上比較容易實現而且性能比較穩定可靠。然而他卻不和巴丁、布萊頓進行交流，而是背著大家干。于是巴丁和布萊頓逐漸離開小組到其它崗位，而肖克力提出的場效應管和結型晶體管的研究工作倒也取得很大進展。看到半導體形式大好，肖克力于 1955 年脫離貝爾實驗室， 1956 年在加州硅谷創建他自己的“肖克力半導體實驗室”，并從貝爾實驗室和其它單位招聘一些杰出的科學家，想大干一場，但由于經營不等原因，實驗室于 1965 年倒閉。

??? 鑒于晶體管發明后小組人才不斷流失的情況，貝爾實驗室放棄了自己開發、生產晶體管的設想，而把這項任務通過出售產品許可證的方式轉移給有關企業。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，貝餌實驗室已從中收入百萬元，相當于從一開始到 1949 年全部研究晶體管的費用。在應用方面， 1953 年首先用于助聽器， 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，售價 49.95 美元，不久這個市場卻被日本的索尼（當時是一個不知名的小公司）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 還在國際會議上展出他制造的集成觸發器和相移式正弦波振蕩器。至此，由巴丁和布萊頓在 1947 年點燃的晶體管星星之火，已經開始形成燎原之勢。