關(guān)于晶體管的發(fā)明歷史

著名的諾貝爾獎從1901年第一次頒獎至今，已近120年的歷史。（John Bardeen，1908 – 1991），是一位美國物理學(xué)家。

兩獲諾獎

巴丁的父親是一名教授，但是年輕的巴丁并不想像父親一樣成為學(xué)者，于是他大學(xué)時就讀于電機系而非物理系。巴丁畢業(yè)時，正值1930年美國經(jīng)濟大蕭條時代，他向AT&T（American Telephone & Telegraph，美國電話電報公司）發(fā)送的工作申請沒有通過，于是便接受了海灣石油公司的聘用，并在那里出色地工作了4年。

盡管他的初衷是偏向?qū)嵱?，但終歸還是因為對物理和數(shù)學(xué)的濃厚興趣放棄了工資優(yōu)厚的工作，到普林斯頓大學(xué)攻讀物理博士學(xué)位。巴丁在普林斯頓師從著名的匈牙利裔理論物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家尤金·維格納（Eugene Wigner，1902-1995），滿足了自己的求知欲。

巴丁的兩項諾獎成就，都不是物理概念意義上的重大革命，但卻引發(fā)了（或即將引發(fā)）對現(xiàn)代文明社會最重要的科學(xué)革命：晶體管的發(fā)明引發(fā)了計算機革命及信息革命，而革命性的超導(dǎo)研究如今仍然是物理界的熱門課題。

1956年尋常的一天。早上7點，巴丁正在給家人做煎雞蛋。女兒貝特茜和兒子比爾突然沖進廚房，大喊“爸爸獲得了諾貝爾獎！”原來他們剛聽到新聞報道，巴丁和過去貝爾實驗室的同事威廉·肖克利（William Shockley，1910-1989）、沃爾特·布拉頓（Walter Brattain，1902-1987）三人，共同獲得了1956年諾貝爾物理學(xué)獎。聽到這一消息，巴丁手里的平底鍋“啪”地一聲掉到了地上，鍋里的東西撒了一地。

“我懷疑委員會中的很多人都不確信晶體管這項技術(shù)值得這個獎，我自己也感到懷疑?！焙髞?，在給朋友的信中，48歲的巴丁如此寫道。

這次讓巴丁感覺“意料之外”的諾獎，是9年前他們發(fā)明的世界上第一支晶體管。當(dāng)時，貝爾實驗室的這三名研究人員，擔(dān)心他們的發(fā)現(xiàn)只是偶然成功，經(jīng)過一周時間的反復(fù)驗證后才向領(lǐng)導(dǎo)匯報并進行了演示。然而，巴丁不久后便遭到肖克利的排擠，在1951年轉(zhuǎn)到了伊利諾伊大學(xué)香檳分校任教。

那時的巴丁正在緊張地研究他的BCS超導(dǎo)理論，差不多已經(jīng)到了最后沖刺的階段。這個理論最后讓他又贏得了1972年的諾貝爾物理學(xué)獎。

圖25-2：巴丁的兩次諾貝爾物理獎

巴丁的這兩次諾貝爾獎，第一次主要是技術(shù)發(fā)明，第二次是基礎(chǔ)理論。作為一位物理學(xué)家，固然更看重自己的理論功夫。然而，如今看來，讓巴丁榮獲第一次諾獎的那個小小的晶體管發(fā)明，對人類文明社會的巨大貢獻，怎么夸贊都不過分。

發(fā)明晶體管

二戰(zhàn)勝利之后的美國，經(jīng)濟迅速發(fā)展。戰(zhàn)爭中的許多研究成果，包括原子彈、微波、電子等技術(shù)的研發(fā)，都對工業(yè)及各個科學(xué)領(lǐng)域有極大的正面影響。引導(dǎo)了美國開展各種產(chǎn)業(yè)，形成一股強大的動力，一直延續(xù)至今，幾十年未衰。

前幾篇文章中描述的二戰(zhàn)后幾次物理會議（謝爾特島會議、波科諾會議、紐約Oldstone會議），促成了量子場論（量子電動力學(xué)）的建立和發(fā)展。與此同時，科學(xué)家們不僅關(guān)注理論，也重視其實用價值。甚至在戰(zhàn)爭尚未終止時，美國政府就加強了對半導(dǎo)體材料的研究。1945年夏天，貝爾實驗室正式制定了一個龐大的研究計劃：決定以固體物理為主要研究方向。那時候，半導(dǎo)體整流器已經(jīng)是成熟的裝置，人們希望能用半導(dǎo)體制造晶體管，再組成放大器，以開拓電子技術(shù)的新領(lǐng)域。

1945年的十月，巴丁加入到貝爾實驗室的肖克利小組，參與研究開發(fā)制造晶體管的項目。這個小組還有另外兩位美國物理學(xué)家：課題負責(zé)人威廉·肖克利和另一位同事沃爾特·布拉頓[1]。

這三人可謂珠聯(lián)璧合：肖克利是生于倫敦的美國人，MIT（麻省理工學(xué)院）畢業(yè)研究半導(dǎo)體的物理博士，當(dāng)時已經(jīng)在PN結(jié)研究及策劃制造晶體管領(lǐng)域奮斗數(shù)年，布拉頓是實驗高手，而巴丁是理論天才。

對晶體管的課題，肖克利原來有些想法，但和布拉頓一起進行的幾次實驗都失敗了。擅長理論計算的巴丁潛心研究了這個問題，發(fā)現(xiàn)電場無法穿越半導(dǎo)體的原因可能是受到金屬片屏蔽。他進而提出了固體的表面態(tài)和表面能級的概念。巴丁猜想半導(dǎo)體物質(zhì)的表面存在著一種機制，能激發(fā)出一種可防止自身被外場貫穿的特殊狀態(tài)。這些工作涉及到半導(dǎo)體、導(dǎo)線和電解質(zhì)之間的點接觸，于是小組將研究重點改為材料的表面狀態(tài)。到1946年冬，他們的研究工作向前邁進了一大步，并且也產(chǎn)出了幾篇論文[2,3]。

經(jīng)過巴丁的再次計算，他們決定制造“點接觸晶體管”。在隨后的多次試驗中他們發(fā)現(xiàn)：鍺半導(dǎo)體上兩根金屬絲的接觸點靠得越近，就越有可能引起電流的放大。這需要在晶體表面安置兩個大約相距只有5×10-3厘米的觸點。

布拉頓有信心克服這最后一道難關(guān)，他找來一塊三角形的厚塑料版，從尖尖的頂角朝三角形的兩邊貼上了一片金箔，又小心仔細地用鋒利的刀片在頂角的金箔上劃了一道細痕，然后將三角塑料版用彈簧壓緊在半導(dǎo)體鍺的表面上。最后，將一分為二的金箔兩邊分別接上導(dǎo)線，作為發(fā)射極和集電極。加之金屬基底引出的基極，總共三條線，將它們分別接到了適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電源和線路上。

圖25-3：點接觸晶體管

1947年12月16日，他們終于觀察到兩個觸點間的電壓增益為100倍的數(shù)量級，第一個晶體管就此誕生了！從圖25-3中可見，這個劃時代的發(fā)明——“三條腿的魔術(shù)師”原始而笨拙，顯得不是那么漂亮。

但很快地，巴丁、布拉頓與肖克利之間，發(fā)生了一些不愉快的糾葛。一個月之后，肖克利自己又發(fā)明了一種全新的、能穩(wěn)定工作的“P-N結(jié)型晶體管”。總之，晶體管的發(fā)明成為人類微電子革命的先聲，也使得三人后來共同獲得了1956年諾貝爾物理學(xué)獎。

但在肖克利對兩人研究工作無理的限制和打壓下，三人分道揚鑣：巴丁1951年接受了伊利諾伊大學(xué)香檳分校的教職，轉(zhuǎn)向他很早就想做的超導(dǎo)研究。布拉頓留守貝爾實驗室，但轉(zhuǎn)到了另外的部門。再后來，肖克利自己到加州創(chuàng)建硅谷，招聘人才，在硅谷點燃了晶體管發(fā)明的人類文明之火！

BCS超導(dǎo)理論

從1950年開始，巴丁開始考慮超導(dǎo)問題，攀向另一個科學(xué)高峰。超導(dǎo)現(xiàn)象指的是一些導(dǎo)體的電阻在溫度下降接近絕對零度時會突然消失成為沒有電阻的超導(dǎo)體的奇特現(xiàn)象。

眾所周知，材料在導(dǎo)電過程中會消耗能量，表現(xiàn)為材料的電阻。電阻越大，消耗能量越多。一般而言，電阻隨著環(huán)境溫度的降低而減小。1911年，荷蘭物理學(xué)家?？恕ぐ簝?nèi)斯（Heike Onnes，1853-1926）發(fā)現(xiàn)水銀樣品以及其他的一些金屬，在低溫（4K左右）時電阻消失等于0，這被稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。昂內(nèi)斯因此獲得了1913 年的諾貝爾物理學(xué)獎。

圖25-4：超導(dǎo)基本特性

超導(dǎo)的應(yīng)用領(lǐng)域包括：醫(yī)院里的核磁共振成像、加速器、磁懸浮以及核聚變研究等。低溫超導(dǎo)的第一個理論是1935年弗里茨·倫敦（Fritz London，1900-1954）和海因茨·倫敦（Heinz London，1907-1970）兩兄弟提出的倫敦方程。后來，前蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道（Lev Davidovich Landau，1908-1968）和金茨堡（Vitaly Lazarevich Ginzburg，1916-2009），以朗道的二級相變（Second order phase transition）和對稱破缺理論（Broken-symmetry）為基礎(chǔ)，導(dǎo)出了著名的金茨堡-朗道方程（Ginzburg–Landau theory），成功地計算出了超導(dǎo)體的許多特性[4]。朗道因車禍1962年在病房中被授予諾貝爾物理學(xué)獎；之后，金茨堡于87歲高齡被授予2003年的諾貝爾物理學(xué)獎。

巴丁的研究偏向超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀物理機制。到了伊利諾伊大學(xué)香檳分校幾年后，巴丁和利昂·庫珀（Leon Cooper，1930-）、約翰·施里弗（John Robert Schrieffer，1931-2019）三人提出了以他們名字第一個字母命名的BCS理論[5]，解釋了超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀機理，之后這個理論被稱為是超導(dǎo)現(xiàn)象的常規(guī)解釋。BCS理論認為：靠晶格振動，即聲子的耦合，使自旋和動量都相反的兩個電子組成動量為零、總自旋為零的庫珀對。電子是費米子，而兩個電子組成的庫珀對則可以是玻色子，低溫下能形成玻色-愛因斯坦凝聚（Bose–Einstein condensate）而集聚成超導(dǎo)大電流。學(xué)界認為，BSC理論基本解釋了低溫下的超導(dǎo)現(xiàn)象，三位學(xué)者也因此而獲得1972年的諾貝爾物理學(xué)獎。

電子間的直接相互作用是相互排斥的庫侖力。如果僅僅存在庫侖力直接作用的話，電子不能形成配對。但BCS理論認為，電子間還存在以晶格振動（聲子）為媒介的間接相互作用。電子聲子間的這種相互作用在滿足一定條件時，可以是相互吸引的，正是這種吸引作用導(dǎo)致了“庫珀對”的產(chǎn)生。在很低的溫度下，庫珀對的結(jié)合能可能高于晶格原子振動的能量。這樣，電子對將不會和晶格發(fā)生能量交換，也就沒有了電阻，形成所謂的“超導(dǎo)”。

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