一個(gè)籬笆三個(gè)樁——記晶體三極管的發(fā)明

陳武，教授，博士生導(dǎo)師，IET Fellow，東南大學(xué)先進(jìn)電能變換技術(shù)與裝備研究所所長。長期從事大功率電力電子變換及其應(yīng)用領(lǐng)域的研究工作。主持國家自然科學(xué)基金3項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題1項(xiàng)。研究成果發(fā)表SCI/EI論文100余篇，出版專著5部。本文摘自新出版的電力電子綜述和科普專著《尋跡電力電子》一書。

本文摘自新出版的電力電子綜述和科普專著《尋跡電力電子》一書。

一個(gè)籬笆三個(gè)樁——記晶體三極管的發(fā)明

如果單獨(dú)選擇一個(gè)事件作為半導(dǎo)體登上國際舞臺(tái)的標(biāo)志，那么肯定是1947年底美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體三極管。1943年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室建立了一個(gè)強(qiáng)大的固體物理研究小組，領(lǐng)導(dǎo)者是威廉·肖克利（William Shockley，物理學(xué)家）和兩位未來的諾貝爾獲得者：約翰·巴?。↗ohn Bardeen）和沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）。你可能不知道，布拉頓于1902年出生在我國的福建廈門鼓浪嶼，因?yàn)樗母赣H那時(shí)正在一所叫“Ting-Wen Institute”的教會(huì)學(xué)校任教，1903年布拉頓就回美國了，這樣算起來，這位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者和我國還是有點(diǎn)淵源的。

隨著理論和實(shí)驗(yàn)方面對半導(dǎo)體性質(zhì)的逐漸理解，人們逐漸意識(shí)到半導(dǎo)體材料中雜質(zhì)濃度會(huì)對其性能產(chǎn)生重要影響（如用于制造芯片的半導(dǎo)體級硅，要求純度高達(dá)9N-12N，也就是99.9999999%-99.9999999999%，可能是世界上最純凈的物質(zhì)了），因此對半導(dǎo)體材料的純化提出了很高要求。純化是用熔化實(shí)現(xiàn)的，因此，鍺（Ge，熔點(diǎn)937℃，1885年俄國科學(xué)家門捷列夫預(yù)言了鍺的存在，并把它稱為“亞硅”，即預(yù)測它的性質(zhì)與硅相近）是第一個(gè)成功純化了的半導(dǎo)體，硅（Si，熔點(diǎn)1412℃）的熔化要困難的多，化學(xué)活性也高，所以早期的半導(dǎo)體工作大部分都選擇了鍺。當(dāng)時(shí)的放大器都還用真空三極管，又大又笨重?fù)p耗也高。因此，開發(fā)一個(gè)半導(dǎo)體器件替代真空三極管一直是研究人員的追求。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)人肖克利十分執(zhí)著于“場效應(yīng)晶體管”的概念，即用電場控制半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，這種器件包括一薄片半導(dǎo)體材料，旁邊是柵極，利用柵極上的電壓/電場可以強(qiáng)烈地調(diào)制半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率，其原理和真空三極管類似（也很容易理解，利用已知原理來開發(fā)新的事物，這是順理成章的想法），如圖1所示。但實(shí)驗(yàn)沒有取得成功，于是團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)而研究鍺的表面性質(zhì)，來揭示這個(gè)失敗的原因。

(a) 真空三極管

(b) 場效應(yīng)管

真空三極管與場效應(yīng)晶體管的比較

第一個(gè)顯著的進(jìn)展是巴丁的“表面態(tài)”理論，用于解釋肖克利實(shí)驗(yàn)的失敗原因。無論半導(dǎo)體晶體有多么純凈，表面有雜質(zhì)原子（如氧原子等），表面的“懸空鍵”可以捕獲自由電子，讓他們牢牢禁錮在表面動(dòng)彈不得，從而降低了半導(dǎo)體總的電導(dǎo)率。巴丁用這種理論解釋了表面大約每1000個(gè)原子有一個(gè)雜質(zhì)原子，就可以把預(yù)言的場效應(yīng)完全屏蔽了。很快，又有一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)，他們把一滴液體滴在接觸點(diǎn)上，用這滴液體作為柵極，驚人的事情發(fā)生了。這個(gè)裝置產(chǎn)生了很大的增益，雖然響應(yīng)非常慢，頻率不到10Hz，這是由于柵極電解液中離子的遷移率很低限制的。

為了開發(fā)有用的放大器，顯然需要用不依賴于離子導(dǎo)電的固體材料替代電解液，接下來的實(shí)驗(yàn)采用了二氧化鍺（GeO2）薄膜，在表面上蒸發(fā)了一層金電極作為柵極。但是又一個(gè)偶然發(fā)生了，在測量前布拉頓清洗樣品時(shí)不小心把氧化物薄膜洗掉了，在鍺表面形成了兩個(gè)金電極。結(jié)果竟然觀察到了頻率高達(dá)10kHz的電壓增益，但是沒有功率增益。布拉頓認(rèn)識(shí)到，這是因?yàn)闁艠O太大了，為了提高效率，需要兩個(gè)金電極靠得非常近。巴丁通過計(jì)算得到，這個(gè)間距應(yīng)該不大于50μm。布拉頓使用了一個(gè)巧妙的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在覆蓋著金箔的聚苯乙烯三角形上，他用剃須刀沿著頂端小心的劃了一道縫，再將三角形劃縫的點(diǎn)輕輕地放在鍺上，他們看到了一個(gè)奇妙的效果——信號通過一個(gè)金觸點(diǎn)進(jìn)入，并隨著它從另一個(gè)觸點(diǎn)出來而增加，第一個(gè)點(diǎn)接觸（Point-contact）晶體管已經(jīng)制成。

圖2 布拉頓制作的第一個(gè)點(diǎn)接觸鍺晶體管示意圖

1947年12月24日，平安夜誕生的這個(gè)簡陋的裝置，就像上天帶給人類的禮物，在未來的幾十年，改變了整個(gè)世界。世界上第一個(gè)晶體管成功測試的那天，布拉頓做了實(shí)驗(yàn)筆記，如圖3所示。由于有點(diǎn)潦草，我只能看懂其中的部分內(nèi)容。以圖3 (a)所示電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)效果如圖3 (b)上半部分所示，當(dāng)Eg有效值為0.015V時(shí)，Ep有效值為1.5V，此時(shí)電路左側(cè)功率為Pg=5.410-7W，右側(cè)功率為Pp=2.2510-5W。所以得到電壓增益（voltage gain）為100，功率增益（power gain）為40。這說明了兩個(gè)問題，第一是在做實(shí)驗(yàn)中要勤于做筆記；第二是筆記要保存好，說不定哪天你的筆記就成了歷史文物。

(a)

(b)

圖3 布拉頓的實(shí)驗(yàn)室筆記本

1948年6月17號，巴丁和布拉頓申請了“Three-electrode circuit element utilizing semiconductive materials，US2524035”的美國專利，見圖4 (a)，專利申請上竟然沒有項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)肖克利的名字，而1956年是這三人共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，那肖克利的貢獻(xiàn)在哪呢？

威廉·肖克利在芝加哥的一家酒店獨(dú)自度過了1948年的圣誕節(jié)，肖克利的一月相當(dāng)凄涼，他認(rèn)為他應(yīng)該因發(fā)明晶體管而獲得唯一的榮譽(yù)，畢竟最初的研究想法是他提出的。但貝爾實(shí)驗(yàn)室的律師不同意，他們甚至拒絕讓他申請專利（US2524035專利申請上的確沒有他的名字）。肖克利決定，唯一要做的就是發(fā)明一個(gè)更好的晶體管，做到“人無我有，人有我優(yōu)”。他認(rèn)識(shí)到點(diǎn)接觸晶體管是脆弱的、難以制造的且不適于商業(yè)化。當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)的其他成員興高采烈地改進(jìn)巴丁和布拉頓的點(diǎn)接觸晶體管時(shí)，肖克利專注于自己的想法——從不讓實(shí)驗(yàn)室里的任何人知道他在做什么。肖克利想到了他一直在努力研究的半導(dǎo)體的“場效應(yīng)”，1948年1月23日，由于睡不著，肖克利一大早就坐在廚房的桌子旁，他突然有了一個(gè)啟示，他認(rèn)為自己有一個(gè)改進(jìn)晶體管的想法，這將是三層三明治結(jié)構(gòu)，兩個(gè)最外層的部分是半導(dǎo)體中電多子，而中間層的部分電少子，中間層的作用就像一個(gè)水龍頭——當(dāng)該部分的電壓上下調(diào)節(jié)時(shí)，它可以隨意打開和關(guān)閉三明治中的電流。

肖克利沒有告訴任何人他的想法，這個(gè)晶體管背后的物理原理與巴丁和布拉頓的點(diǎn)接觸晶體管非常不同，因?yàn)樗碾娏魇侵苯恿鬟^半導(dǎo)體塊，而不是沿著表面流動(dòng)。當(dāng)然，當(dāng)時(shí)沒有人能確定電流是否能直接流過半導(dǎo)體，于是肖克利找來了兩個(gè)團(tuán)隊(duì)成員單獨(dú)進(jìn)行了該實(shí)驗(yàn)而沒有告訴其他人（一方面肖克利可能想在討論這個(gè)想法可行性之前對其進(jìn)行測試，另一方面，也可能他覺得關(guān)于點(diǎn)接觸晶體管的想法已經(jīng)被巴丁和布拉頓“采納”了，不想冒新的想法被別人再“采納”的風(fēng)險(xiǎn)）。1948年2月18日，肖克利得知他的想法的確可以工作，他第一次向團(tuán)隊(duì)其他成員分享了他的三明治晶體管概念（也即大家熟知的結(jié)型晶體管）。巴丁和布拉頓對這個(gè)消息感到震驚，很明顯，肖克利已經(jīng)保守這個(gè)秘密好幾個(gè)星期了。于是，肖克利在1948年6月26日自己單獨(dú)申請了“Circuit element utilizing semiconductive material，US2569374”的美國專利。兩種結(jié)構(gòu)的晶體管示意圖如圖4(b)所示，這個(gè)圖大家一定對其很熟悉親切，這就是后來雙極性結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）的前身，BJT應(yīng)用于模擬電路有它的優(yōu)勢，一直沿用至今。

(a) 點(diǎn)接觸晶體管

（US2524035）

(b) 結(jié)型晶體管

（US2569374）

圖4 兩種晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

1948年7月1號，貝爾實(shí)驗(yàn)室正式對外發(fā)布了一個(gè)新聞公告“An amazingly simple device, capable of performing efficiently nearly all the functions of an ordinary vacuum tube, was demonstrated for the first time yesterday at Bell Telephone Laboratories where it was invented, known as the Transistor”。至此，貝爾實(shí)驗(yàn)室把這個(gè)新器件展示給仍然摸不著頭腦的世界，但很少有人意識(shí)到它的重要性，甚至沒有登上報(bào)紙的頭版。1951年9月，貝爾實(shí)驗(yàn)室召開了一次晶體管研討會(huì)，并將兩種類型的晶體管技術(shù)許可給任何支付25000美元費(fèi)用的人（如德州儀器公司，簡稱TI，1954年研制出了第一個(gè)商用的硅晶體管；日本的索尼公司，2.5萬美元在當(dāng)時(shí)是巨款，相當(dāng)于當(dāng)時(shí)索尼公司資產(chǎn)的10%，但正因此索尼公司開發(fā)出了日本第一臺(tái)晶體管收音機(jī)“TR-55”而一舉成名），這是晶體管產(chǎn)業(yè)的開始，它改變了我們的生活方式。

1956年，肖克利、巴丁和布拉頓共同獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)，以表彰他們對半導(dǎo)體的研究和發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)。對此，巴丁和布拉頓有些不甘心，但如今從歷史角度看待肖克利對半導(dǎo)體領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，也仍然是實(shí)至名歸了。早在1951年，巴丁就因與肖克利不和，離開了貝爾實(shí)驗(yàn)室到伊利諾伊大學(xué)香檳分校任教，轉(zhuǎn)而研究超導(dǎo)問題。1972年，約翰·巴丁、列儂·庫珀、約翰·R·施里弗三人共同榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們的獲獎(jiǎng)理由是：1957年共同提出低溫超導(dǎo)理論，即通常所說的BCS理論（B、C、S分別為他們姓氏的第一個(gè)字母）。

巴丁也成為唯一一位兩次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的人。