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，推動了信息革命，帶動了產(chǎn)業(yè)革命，開辟了億萬個就業(yè)崗位，改變了人類社會工作方式和生活方式，奠定了現(xiàn)代文明社會的基礎(chǔ)。
1 ．激動人心的時刻
??? 1947 年 12 月 23 日，那是圣誕節(jié)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(dá)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(dāng)天下午他們要向貝爾實驗室的領(lǐng)導(dǎo)演示他們的新發(fā)明——不用電子管的放大器。
??? 大約一個小時后，約翰巴丁和瓦爾特布萊頓陸續(xù)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(xì)雨，心里嘀咕那是吉祥還是災(zāi)難的預(yù)兆。
??? 午餐后，貝爾實驗事的各方面領(lǐng)導(dǎo)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(xué)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(fù)責(zé)接線測試的 Moore.
??? 展示在他們面前的，除了常規(guī)的儀器設(shè)備如示波器、信號發(fā)生器、變壓器、話筒、耳機、電表、轉(zhuǎn)換開關(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的輸入端和輸出端，鍺半導(dǎo)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(jīng)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(fā)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(xiàn)場。他們似乎預(yù)感到，科學(xué)發(fā)展史中另一個新篇章已經(jīng)開始了。
2 ．漫長而曲折的道路
??? 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(xù)使用一年半載就要更換；此外，燈絲發(fā)出的熱量有時還需要排除。這些缺點給電子管設(shè)備的設(shè)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(dāng)時貝爾實驗室主任 Kelly 根據(jù) 19 世紀(jì)以來關(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，要加強對固體物理基礎(chǔ)理論的研究。從 1936 年起開始招聘有關(guān)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(xué)家 Ohl 和 Scaff 制成兩個方向?qū)щ娦阅懿煌墓璋簦矣霉庹諘r能產(chǎn)生電流。他們定義一端為 P 另一端為 N 。后來 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：“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(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。二戰(zhàn)結(jié)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(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。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)生的電場來控制在半導(dǎo)體中通過的電流，這基本上是結(jié)型場效應(yīng)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(tài)理論。即由于半導(dǎo)體的表面晶體有缺陷，它能捕獲電子，形成對電場的屏蔽，使場效應(yīng)無法實現(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，但還存在沒有電壓增益以及頻率響應(yīng)只能達(dá)到 10Hz 等缺點。 1947 年 12 月 11 日，同組的物理化學(xué)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(zhì)），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(dá)到半導(dǎo)體作為一個電極，希望通過改變金粒和半導(dǎo)體之間的電壓能改變電極和半導(dǎo)體之間的電阻（或流過半導(dǎo)體的電流）。布萊頓在做實驗時，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(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，巴丁和布萊頓立刻意識到一個歷史性的新紀(jì)元開始了。初步測試的結(jié)果顯示：電壓放大倍數(shù)為 2 ，上限頻率可達(dá) 1 萬 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(jù)記錄，晶體管的發(fā)明時間應(yīng)該是 1947 年 12 月 15 日，根據(jù)小組成員對這項工作的貢獻(xiàn)大小，推舉巴丁和布萊頓為發(fā)明人?？紤]肖克力在發(fā)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(xué)獎。
3 ．發(fā)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(guī)，這個光榮任務(wù)由巴丁和布萊頓來承擔(dān)。他們?yōu)榇擞喠藥讞l原則：第一，字節(jié)不要過長，以 2 ～ 3 為度；第二，最后兩個字母應(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。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(rèn)為這個主意不錯，但字節(jié)太長，于是就把它壓縮成為 Transistor 。 20 世紀(jì) 50 年代我國科學(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驗室的最豐盛的圣誕禮物，有關(guān)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(zhàn)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(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)回來研究晶體管，但不是和大家一起集中精力開發(fā)巴丁和布萊頓發(fā)明的點觸式晶體管，而是研究用 PN 結(jié)代替點接觸，這樣做在工藝上比較容易實現(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(yīng)管和結(jié)型晶體管的研究工作倒也取得很大進展?？吹桨雽?dǎo)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(chuàng)建他自己的“肖克力半導(dǎo)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(xué)家，想大干一場，但由于經(jīng)營不等原因，實驗室于 1965 年倒閉。
??? 鑒于晶體管發(fā)明后小組人才不斷流失的情況，貝爾實驗室放棄了自己開發(fā)、生產(chǎn)晶體管的設(shè)想，而把這項任務(wù)通過出售產(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，貝餌實驗室已從中收入百萬元，相當(dāng)于從一開始到 1949 年全部研究晶體管的費用。在應(yīng)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(dāng)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(fā)器和相移式正弦波振蕩器。至此，由巴丁和布萊頓在 1947 年點燃的晶體管星星之火，已經(jīng)開始形成燎原之勢。