（科学技术史专业论文）两次诺贝尔物理学奖获得者——约翰·巴丁.pdf

摘要 约翰巴丁是美国著名物理学家，他是迄今为止唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的 科学家。他因晶体管的发明和超导微观理论b c s 理论的提出，分别于1 9 5 6 年和1 9 7 2 年 获得诺贝尔物理学奖。巴丁的研究所涉及的领域十分广泛，对物理学的发展做出了杰出的 贡献。除了在科学上取得的卓越成就之外，巴丁在工业企业发展战略，政府政策制定等方 面也做出了自己的贡献。 本文包括五部分： 第一部分是巴丁的传略，主要介绍了巴丁的家庭背景、求学历程、工作经历、主要成 就等。 第二部分回顾了巴丁与布拉顿合作发明点接触型晶体管的过程，讨论了晶体管发明的 影响和有益启示，同时分析了他惜别贝尔实验室的原因。 第三部分回顾了巴丁与库珀、施里弗协作，共同建立b c s 理论的过程，讨论了b c s 理 论的影响和意义。 第四部分介绍了巴丁担任工业企业和政府顾问期间的工作，以及在此做出的贡献。 第五部分概括了巴丁的品格和科学风格。 关键词：约翰巴丁；物理学史；诺贝尔物理学奖；晶体管；超导电性；电子一声 子相互作用；b c s 理论 a b s t r a c t j o h nb a r d e e ni saf a m o u sa m e r i c a np h y s i c i s t s o 缸h eh a sb e e nt h eo n l ys c i e n t i s tt h a t e v e rw o nt w on o b e lp r i z e si np h y s i c s h ew o nt h e1 9 5 6n o b e lp r i z ei np h y s i c sf o rt h ei n v e n t i o n o ft h et r a n s i s t o ra n dt h e1 9 7 2n o b e lp r i z ei np h y s i c sf o rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h et h e o r yo f s u p e r c o n d u c t i v i t y , u s u a l l yc o n s i d e r e da st h eb c st h e o r y b a r d e e n sr e s e a r c ht o u c h e ds e v e r a l a l e a sa n dh em a d eg r e a tc o n t r i b u t i o n st ot h ed e v e l o p m e n to fp h y s i c s a p a r tf r o mt h e p r e d o m i n a n ta c h i e v e m e n t si ns c i e n c e ，b a r d e e na l s om a d ec o n t r i b u t i o n st ot h ed e v e l o p m e n t s t r a t e g i e so f t h ei n d u s t r i a le n t e r p r i s e sa n dt h ep o l i c i e so f g o v e r n m e n t t h et h e s i si sd i v i d e di n t of i v ep a r t s t h ef i r s tp a r ti sab i o g r a p h yo fj o h nb a r d e e n i tc o n t a i n sb a r d e e n sf a m i l yb a c k g r o u n d ， s t u d y i n ge x p e r i e n c e ，w o r k i n ge x p e r i e n c e ，m a i na c h i e v e m e n t sa n ds oo n t h es e c o n dp a r tr e v i e w st h ei n v e n t i o np r o c e s so ft h ep o i n t - c o n t a c tt r a n s i s t o r , w h i c hw a s m a d et h r o u g ht h ec o o p e r a t i o no fb a r d e e na n db m t t a i n ，d i s c u s s e st h ei m p a c ta n dh e l p f u l i n s p i r a t i o no ft h et r a n s i s t o r ，a n da n a l y z e st h er e a s o n st h a tb a r d e e nw a sr e l u c t a n tt ep a r tf r o m b e l ll a b s t h e 吐d r dp a r tr e v i e w st h ep r o c e s so ft h ee s t a b l i s h m e n to ft h eb c st h e o r ym a d eb y b a r d e e n ，t o g e t h e rw i t hc o o p e ra n ds c h r i e f f e r ，a n ds u m m a r i z e st h ei m p a c ta n d t h es i g n i f i c a n c e o f t h eb c s t h e o r y t h ef o u r t hp a r ti n t r o d u c e sb a r d c c n sw o r ka n dc o n t r i b u t i o n si nt h ep e r i o dw h e nh ea c t e c la s a na d v i s o ro f i n d u s t r i a le n t e r p r i s e sa n dg o v e r n m e n t t h ef i f t hp a r to u t l i n e sb a r d e e n sc h a r a c t e ra n ds t y l eo f s c i e n c e k e yw o r d s ：j o h nb a r d e e n ；p h y s i c sh i s t o r y ；t h en o b e lp r i z ei np h y s i c s ；t r a n s i s t o r ； s u p e r c o n d u c t i v i t y ；e l e c 打o n p h o n o ni n t e r a c t i o n ；b c st h e o r y i i 首都师范大学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：益沁参 日期加睥明，扫 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文并 向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的 的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进行 检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：慈! 摩奎 日期：榔月m j 首都师范大学硕士学位论文 两次诺贝尔物理学奖获得者约翰巴丁 引一言 美国著名物理学家约翰巴丁( j o h nb a r d e e n ，1 9 0 8 1 9 9 1 ) 是迄今为止唯一一位两 次获得诺贝尔物理学奖的科学家，他因晶体管的发明和超导微观理论b c s 理论的提出， 分别于1 9 5 6 年和1 9 7 2 年获得诺贝尔物理学奖。巴丁的研究所涉及的领域十分广泛，对物 理学的发展做出了杰出的贡献。除了在科学上取得的卓越成就之外，巴丁在工业发展政策， 企业规划等方面也做出了自己的贡献。综观巴丁的一生，他的成功带给我们许多有益的启 示，他的研究风格，他关于科技、工业政策制定的独特见解等，非常值得研究。 目前，国内方面已有不少介绍巴丁的文章，其中，刘兵的文章生动而概括地介绍了巴 丁的生平和两项诺贝尔奖获奖工作的研究过程，尤其是对超导b e s 理论建立的背景进行了 深入的研究；卢鹤绂的文章也概述了巴丁的生平，并从专业角度介绍了巴丁两项诺贝尔奖 获奖工作，但限于篇幅，这两篇文章还不够全面、丰富和深入。国外方面，最为突出的就 是莉莲霍德森出版了第一本有关巴丁的传记，对巴丁的生平、求学历程、科学成就等诸 方面都进行了较为深入的研究。无论国内，还是国外方面，人们对巴丁的研究都取得了一 定的成果，但是对于巴丁两次获得诺贝尔物理学奖探索历程的研究，都还有值得进一步深 入研究的问题，例如：巴丁在发明了点接触型晶体管后为何离开贝尔实验室，巴丁为何让 派尼斯、李政道和洛研究极化子问题，巴丁为何在做出b c s 理论后力荐库珀、施里弗公开 发表他们的研究成果等。国内方面有关巴丁的文章对巴丁在工业企业发展、政府政策咨询 方面的工作却没有人进行过研究。 综上所述，基于国内外方面对巴丁所作研究尚存在不全面、甚至不准确的问题，对巴 丁进行深入研究是十分有必要的。因此，本人在搜集有关巴丁生平、科学成就等诸方面文 献资料，巴丁的原始论文，以及前人工作基础上，对巴丁进行了进一步研究。 鉴于巴丁在科学上所取得的巨大成就，恰逢2 0 0 7 年晶体管诞生6 0 周年，b c s 理论提 出5 0 周年，2 0 0 8 年巴丁诞辰1 0 0 周年之际，研究巴丁是很有意义的，这篇论文是对这位 伟大的物理学家一个纪念。 首都师范大学硕士学位论文 第1 部分约翰巴丁的生平 图1 约翰巴1 约翰巴丁( j o h nb a r d e e n ) ，1 9 0 8 年5 月2 3 日出生于美国威斯康星州的麦迪逊。巴 丁的父亲c r 巴丁( c h a r l e sr u s s e l lb a r d e e n ) 是威斯康星大学医学院的创始人、第 一任院长和解剖学教授，母亲a h 巴丁( a l t h e ah a r m e rb a r d e e n ) 曾在纽约布鲁克林 的普拉特学院学习过美术和设计，她还在芝加哥杜威中学作过短暂教学，随后独自从事室 内装饰生意。在五个兄弟姐妹中，巴丁排行第二，上面还有一个哥哥比尔巴丁( b i l l b a r d e e n ) ，巴丁与哥哥关系最好，他们相处融洽，一同集邮，一起参加各种各样的活动。 与其他兄弟姐妹不同的是，巴丁自幼便显示出超乎寻常的智慧，并很快成了父母最喜爱的 孩子。 与不少杰出科学家一样，巴丁从小便表现出对数学的浓厚兴趣和对学习的卓越才能。 当巴丁9 岁时，他就从小学三年级直接跳级进入了麦迪逊公立中学初中一年级。巴丁的数 学老师也发现了巴丁特有的数学天赋，便经常给他布置一些额外的家庭作业，并不断培养 他对数学的热爱。进入该中学的第二年，巴丁又转到了威斯康星大学附属中学，并获得了 麦迪逊市代数竞赛第一名的好成绩。虽然巴丁跳级进入了高年级，然而放学后，他回到家 中仍同当地同龄的小朋友一起愉快地玩耍和做游戏，天真烂漫的他愉快地过着童年生活。 像哥哥比尔一样，巴丁从小就热爱体育运动，夏天常常到离家不远的门多塔湖游泳，冬天 则在冰面上溜冰或坐冰上划艇。每逢周日，巴丁和哥哥就替父母背着球杆，到当地的高尔 夫球场看大人们打球。当他们渐渐地长大到能够挥舞球杆时，他们就参加了这项运动，打 高尔夫球也成为巴丁终生除物理学之外最大的爱好。不过与哥哥比尔活泼开朗的性格不 同，巴丁沉默寡言。1 2 岁时，巴丁的母亲因患癌症去世，他深受打击。失去母亲的他感到 2 首都师范大学硕士学位论文 异常悲伤与孤独，学习成绩全面下降，尤其是法语几乎不及格。1 3 岁时，由于威斯康星大 学附属中学缺乏足够的实验设备，巴丁回到公立中学在公立中学又度过了两年时光，巴 丁1 5 岁时，与年长他两岁的哥哥比尔同时从高中毕业。 中学毕业后，巴丁进入威斯康星大学电气工程系。在威斯康星大学，他主修电气工程， 辅修数学和物理学巴丁之所以选择工程学，是因为工程学有很好的就业前景。他不愿成 为他父亲那样的学者，至少在那时他是这样想的。当时威斯康星大学应用数学专业师资力 量非常雄厚，但是还没有开设原子物理学课程，直到1 9 2 8 年秋天范弗累克( j o h nv a nv l e c k ， 1 9 0 5 - - 1 9 9 6 ) 来到这里，巴丁才从他那里第一次接触到量子力学。德拜( p e t e rj o s e p h w i l l j a md e b y e ，1 8 8 4 - - 1 9 6 6 ) 、狄拉克( p a u l d r i e nm a u r i e ed i r a c ，1 9 0 2 - - 1 9 8 4 ) 、索 末菲( a r n o l ds o m m e r f e l d ，1 8 6 8 - - 1 9 5 1 ) 、海森堡( w e r n e rk a r lh e i s e n b e r g ，1 9 0 l 一1 9 7 6 ) 等相继来到威斯康星大学访问并做了精彩的系列学术报告，这些学术报告极大地激发了巴 丁对物理学的兴趣。1 9 2 8 年他获得理学学士学位，1 9 2 9 年获得理学硕士学位。1 9 2 9 年巴 丁最喜爱的彼得斯( l e op e t e r s ) 教授离开威斯康星大学，加入了海湾石油公司新设立的 实验室，从事地球物理勘探法的开发。而巴丁则继续留在威斯康星大学，多呆了一年，从 事天线设计的研究，同时继续他对原子物理学的兴趣。当时，巴丁萌发了将自己的主攻方 向转向物理学，特别希望能够去欧洲进一步深造的想法。于是巴丁便向剑桥大学申请一份 奖学金，可是没有申请成功。 不过，此时已经是他需要考虑就业的时候了。他想去贝尔实验室工作，但由于大萧条 时期该实验室人事冻结，使得巴丁未能如愿。1 9 3 0 年夏天，他收到了来自海湾石油公司的 录用通知。在海湾石油公司，巴丁与威斯康星大学教授、他的论文指导老师彼得斯一道从 事地球物理探油术的开创性研究。不久，他发明了一种新的电磁方法来勘探石油，这种方 法十分新颖，以致海湾石油公司当即决定不申请专利，以防竞争对手用新方法获得更多有 用的信息。差不多3 0 年后，该方法才公布于世。 虽然巴丁身在海湾石油公司，但他始终保持着对原子物理学的浓厚兴趣。通过临近该 公司的匹兹堡大学组织的讨论会等各种途径，他一直密切关注着物理学的进展。 1 9 3 3 年，出于对海湾石油公司日常工作的厌倦和对物理学那份热爱，他毅然辞掉了海 湾石油公司待遇优厚的工作，到普林斯顿大学攻读博士学位，研究理论物理。巴丁决定去 普林斯顿大学，主要是想在爱因斯坦( a l b e r te i n s t e i n ，1 8 7 9 - - 1 9 5 5 ) 指导下攻读博士 学位。爱因斯坦是在1 9 3 2 年离开德国到达美国的，并在普林斯顿从事研究工作。当巴丁 来到普林斯顿大学之后才发现爱因斯坦是在普林斯顿高等研究所从事研究工作，而不是在 首都师范大学硕士学位论文 大学里从事教学工作，并且爱因斯坦对指导研究生也不感兴趣。因此，巴丁转而师从来自 匈牙利的著名物理学家维格纳( e u g e n ep a u lw i g n e r ，1 9 0 2 - - 1 9 9 5 ) 攻读博士学位维格 纳是杰出的理论物理学家，在物理学的许多领域都做出过卓越贡献，尤其在原子核和基本 粒子的理论研究方面，他因对原子核和基本粒子理论，特别是通过基本对称原理的发现和 应用所作的贡献与因对核壳层模型的建立做出贡献的玛丽娅戈佩特一迈耶( m a r i a g o e p p e r t m a y e r ，1 9 0 6 - - 1 9 7 2 ) 和詹森( j h a n s d j e n s e n ，1 9 0 7 - - 1 9 7 3 ) 共同分享了1 9 6 3 年的诺贝尔物理学奖获。巴丁师从维格纳使得他受益匪浅，维格纳的研究方法对他后来从 事固体物理学的研究有重要的影响。他来到普林斯顿大学时，维格纳和塞兹( f r e ds e i t z ) 正在开创固态物理学的一个新领域。从在普林斯顿大学攻读博士学位起，巴丁便开始了长 达几十年的固体物理学研究生涯。巴丁的博士论文就是计算把一个电子从晶体内部溢出到 晶体表面所需的能量，即金属中电子的功函数。 1 9 3 5 年春天，巴丁基本上完成了他的博士论文，可当时他的指导老师维格纳已经离开 普林斯顿回到欧洲，专注于他自己的研究工作。因而。维格纳暂时不能检查巴丁的计算过 程。同年，巴丁的博士论文还未最后完成时，便被吸收成为哈佛大学研究会的初级会员， 该研究会为他提供了三年的研究基金，每年1 5 0 0 美元的资助及生活费用，使他能专心从 事研究工作。这份邀请是由巴丁在威斯康星大学时的老师范弗累克发出的，他很早就看出 了巴丁所具有的个人才能，非常赏识巴丁。在这里，巴丁沿用维格纳一塞兹的方法通过计 算，得出了钠等碱性金属的内聚能和导电率同体积的关系，并同布里奇曼( p e r c yi i l l i a m s b r i d g m a n ，1 8 8 2 1 9 6 1 ) 用高压实验所得结果比较，两者基本符合。同时。巴丁充分利用 提供给他的良好的机会，扩展他的物理学知识。这期间他与麻省理工学院的斯莱特( j o h n s l a t e r ) 及其领导的固体物理研究小组建立了紧密的联系，并且在那里结识了正在攻读博 士学位的肖克剥( w i l l i 鲫s h o c k l e y ，1 9 1 0 1 9 8 9 ) 同时，通过阅读伦敦兄弟的论文以 及与斯莱特的讨论，巴丁对超导电性产生了兴趣。1 9 3 6 年，巴丁通过了普林斯顿大学博士 论文答辩，获得了数学物理学哲学博士学位。 在范弗累克的帮助下，1 9 3 8 年至1 9 4 1 年巴丁受聘明尼苏达大学物理系助理教授，教 授量子力学等理论课程，并应该校地质学系的邀请讲授地球物理探油术。同时，他继续保 持着对超导电性的兴趣，并且从休思伯格( d a v i ds h o e n b e r g ) 撰写的有关超导电性的小 册子中受益匪浅。在明尼苏达大学工作期间他主要进行了金属理论及热扩散分离同位素等 理论的研究工作。同时，他与女友迈克斯韦( j m a x w e l l ) 结了婚，她是一所女子学校的 生物学教师。 4 首都师范大学硕士学位论文 1 9 4 1 年第二次世界大战爆发，由于政府需要，不少科学家中断了各自手头的科学研究 工作而去专门从事与战争有关的工作。巴丁也不例外，他举家搬到了华盛顿，在海军军械 实验室从事水下军械的研究工作。由于巴丁对核物理和同位素分离有浓厚兴趣，他还曾被 征用作为美国曼哈顿计划的候选人，但由于巴丁早期的同事中有人有不守法的记录，因此 未被选中而留在了海军军械实验室。在这里，他先后进行了去磁( 抵消船的磁场) 、扫雷、 水雷设计、鱼雷设计等方面研究和设计工作 大战结束后，巴丁原本打算回到明尼苏达大学任教，但是此时他已经有了两予一女， 家庭负担加重了，出于经济上的考虑，他接受了贝尔实验室的邀请，于1 9 4 5 年底在贝尔 实验室同肖克利和布拉顿( w a l t e rb r a t t a i n ，1 9 0 2 一1 9 8 7 ) 合作，从事半导体性能的研 究。1 9 4 7 年底巴丁和布拉顿发明了点接触型晶体管。在此基础上，肖克利发明了结型晶体 管。为此他们三人共同获得1 9 5 6 年诺贝尔物理学奖。 1 9 5 1 年，巴丁受聘担任伊利诺伊大学物理学和电气工程学两系的教授。1 9 5 2 年，美 国施乐公司聘请巴丁为顾问，他对名为x e r o x 复印机的迅速发展提供了帮助。 此时，巴丁对低温超导理论展开了深入的研究。自1 9 1 1 年发现超导现象之后，在近 5 0 年里，这方面的研究没有能得出令人满意的理论解释。巴丁曾根据超导电同位素效应提 出过一个超导电理论，但是它被验证是错误的。1 9 5 5 年巴丁在德国科学百科全书上发表了 一长篇论文，总结了人们为建立超导理论所作的工作，并带领他的博士后研究助手库珀 ( l e o nn c o o p e r ，1 9 3 0 - - ) 和研究生施里弗( j o h nr 。s c h r i e f f e r ，1 9 3 1 一) 协同攻关， 终于取得了突破：1 9 5 6 年库珀提出在金属晶格的作用下电子对( 库珀对) 流动的概念，施 里弗又做出有关的理论计算。1 9 5 7 年，他们三人成功解释了金属超导电现象，世称“b c s 理论”。巴丁、库珀和施里弗为此共同获得1 9 7 2 年诺贝尔物理学奖金。迄今为止，巴丁是 唯一一位两度获得诺贝尔物理学奖的物理学家。 7 0 年代巴丁又提出了新的研究课题，那就是有机金属的超导性能。他希望用宏观量子 体系解释准一维有机金属的导电性能。 1 9 6 9 年，巴丁从伊利诺伊大学退休。 1 9 5 4 年巴丁被选入美国国家科学院，1 9 7 2 年被选入美国国家工程院。1 9 6 8 - - 1 9 6 9 年 他当选为美国物理学会主席。1 9 5 9 - - 1 9 6 2 年他被任命为美国总统科学顾闯委员会委员。 1 9 8 1 - - 1 9 8 2 年他被任命为白宫科学委员会成员。1 9 6 3 - - 1 9 7 2 年他是纯粹及应用物理学联 合会的低温委员会成员，1 9 6 9 - - 1 9 7 2 年被选为该联合会的主席。1 9 6 1 1 9 7 4 年他是施乐 公司董事会成员。1 9 8 3 年以来他是s u p e r t e x 公司董事会成员。 首都师范大学碗士学位论文 巴丁获得的主要荣誉有：1 9 5 2 年富兰克林研究院斯图尔特巴兰坦奖章；1 9 5 4 年美 国物理学会巴克利奖金；费城约翰斯科特奖章；1 9 5 6 年同布拉顿及肖克利一起获得诺贝 尔物理学奖；1 9 6 2 年低温物理学伦敦奖；1 9 6 4 年美国工程教育文森特本迪克奖；1 9 6 5 年美国国家科学院奖章；1 9 7 1 年电气和电子工程师学会荣誉奖章；1 9 7 2 年同库珀及施里 弗共同获得诺贝尔物理学奖。 巴丁一生先后在多个工业研究发展部门和大学研究单位进行理论物理学方面的基础 科学研究，在金属理论、原子核理论、气体理论、半导体理论、超导电理论、固态理论等 方面做出了巨大的贡献。 巴丁感到最荣幸的是他在半导体表面物理学上的创造性研究引发了信息技术的革命。 1 9 8 4 年他说过：“在5 0 和6 0 年代固态物理学和技术在大学、企业和政府的各个实验室里 有了迅速的生长，直到7 0 年代才慢下来。尽管在各个时期人们曾预料固态领域的发展已 接近尾声，在工业上的发现和发明却为数不减地一个接一个出现，直到如今。材料工程技 术上，为实现各种期望做到的功能而设计和制造的新材料都变成了事实。能够设计和制造 的结构几乎细到原子的层次，因而性能连续在提高。没有预料到的新现象接连被发现，开 拓了科学研究的各个新领域。”1 巴丁教授对中国人民非常友好，曾两次到中国访问，并进行学术交流。1 9 7 5 年，巴丁 和他的同事跟随美国一个文化交流代表团来中国进行了访问，到了北京、西安等地。1 9 8 0 年5 月应我国教育部和北京大学校长周培源的邀请，巴丁携夫人第二次来我国讲学。在人 民大会堂，巴丁受到了国务院副总理方毅的亲切接见。巴丁教授在北京大学讲学期间，分 七次做了有关“超导问题的发展与近况”、“超导计算机发展近况”、“量子阱异质结激光器” 等方面内容的报告。对半导体、超导体方面的发展作了扼要介绍，阐述了自己的见解。在 京期间他先后与北京大学低温物理专业、半导体物理专业、中国科学院物理研究所以及冶 金工业部有色金属研究院等单位举行了多次座谈，对科学发展方向发表了独到的看法。 他还访问了南京大学，五百多人聆听了巴丁的报告。5 月2 3 日是巴丁的生日，又恰逢 南京大学校庆，为此，校方举行了隆重的庆祝会，使巴丁这次中国之行达到了高潮。为了 帮助推进我国的科学发展，巴丁曾建议中国和美国建立文化交流项目，将我国物理学家研 究的范围引入更广泛的问题中去，以此推动我国的科学研究得以均衡发展。 1 9 9 1 年1 月3 0 日，巴丁于伊利诺伊去世，享年8 3 岁。 卢鹤绂巴丁钱临照，许良英主编世界著名科学家传记物理学家北京；科学出版社，1 9 9 9 ：2 8 6 首都师范大学硕士学位论文 第2 部分巴丁与晶体管的发明 晶体管的发明是2 0 世纪物理学发展史上最重要的事件之一 ( 一) 晶体管发明的背景 晶体管的发明是科学家长期探索的结晶，它的研究可以追溯到1 9 世纪。1 8 3 3 年法拉 第( m f a r a d a y ，1 7 9 1 - - 1 8 6 7 ) 惊奇地发现硫化银的电阻率随温度升高而迅速降低，这成 为半导体效应的先声。1 8 7 4 年，德国物理学家布劳恩( f b r a u n ，1 8 5 0 - - 1 9 1 8 ) 第一次注 意到金属和硫化物接触时具有整流特性。1 8 7 6 年，英国物理学家亚当斯( w g a d a m s ) 等 人发现硒的表面会产生光生电动势。1 8 8 3 年，美国发明家弗利兹( c e f r i t t s ) 制成第一 个实用的硒整流器。无线电报出现后，矿石被广泛用作检波器，其主要成分是硫化铜，后 来用上了硅和锗。1 9 0 4 年，英国的弗莱明( j a f l e m i n g ，1 8 4 9 1 9 4 5 ) 制造出检测电子 用的第一支真空二极管。1 9 0 6 年，美国发明家德福雷斯特( l d f o r e s t ，1 8 7 3 1 9 6 1 ) 发 明了第一支真空三极管( 电子管) 。电子管一经发明出来，就被广泛应用在各种电子设备 上。但是，随着电子管的广泛使用，电子管体积大、寿命短、价格昂贵、耗能多、易破碎 等许多难以克服的缺点逐渐暴露了出来，这直接影响了有关行业的发展。例如：1 9 4 6 年美 国宾夕法尼亚大学研制成的世界上第一台数字式电子计算机e n i a c ，它使用了约1 8 0 0 0 个电子管、1 5 0 0 个继电器，耗电量达1 5 0 k w ，占地面积1 6 7 m 2 ，重量约3 0t 。 1 9 世纪2 0 年代，量子力学的诞生使经典物理理论发生了根本性的变革，量子理论的 创立为固体物理学的研究提供了新的理论工具。1 9 2 6 年，索末菲用费米一狄拉克统计解释 了金属中电子的行为。同年，海森堡让他的学生布洛赫( f e l i xb l o c h ，1 9 0 5 - - 1 9 8 3 ) 研 究晶体点阵对电子运动的影响；两年后，布洛赫指出在周期性势场中电子占据的能级可能 形成能带。1 9 3 1 年威尔逊( a h w i l s o n ) 进一步发展了布洛赫的能带理论，用能带理论解 释了导体、绝缘体和半导体的行为特征，其中包括半导体电阻的负温度系数效应和光电导 现象。后来，他又提出杂质能级概念，对掺杂半导体的导电机理做出了说明。1 9 3 9 年达维 多夫( a c d a v y d o v ) 、莫特( n e v i l lm o t t ，1 9 0 5 1 9 9 6 ) 和肖特基( w s h o t t k y ) 各自独 立地提出了解释金属一半导体接触整流作用的理论。达维多夫首先认识到半导体中少数载 流子的作用，而莫特和肖特基则提出了可以解释阻挡层整流的“扩散理论”。 至此，在2 0 世纪3 0 年代科学家已经完成了以下三个方面的工作： ( 1 ) 威尔逊的半导体能带模型的量子理论。利用能带模型可以根据过剩电子和空穴 7 首都师范大学硕士学位论文 来描述导电。这个理论表明了“载流子的浓度是怎样随温度和掺杂而变化的” ( 2 ) 有关光电现象的弗伦克尔( f r e n k e l ) 理论( 通过光照和电磁电子效应来改变接 触势垒) 。这个理论建立了一个当没有任何导电电子和空穴平衡浓度存在时，用来描述电 子流动的基本方程。他认识到，同有电场时一样，当有电场梯度存在的情况下，扩散也将 使电子发生流动。 ( 3 ) 莫特、肖特基和达维多夫各自独立发展了接触整流理论，肖特基和他的合作者 斯彭克( s p e n k e ) 发展了更加完善的数学理论。 这些工作为晶体管的发明建立起了牢固的理论基础1 。理论基础已经准备就绪，接下 来的工作就是如何把理论和实践结合在一起了。 ( 二) 巴丁与晶体管发明的过程 贝尔实验室创立于1 9 2 5 年，隶属于美国电话电报公司( a t t ) 及其子公司西部电器 公司，其主要宗旨是开展通信科学的研究，由电话的发明者贝尔( a l e x a n d e r g r a h a m b e l l ， 1 8 4 7 1 9 2 2 ) 创立。 早在2 0 世纪3 0 年代，当时贝尔实验室的研究部主任凯利( m k e l l y ) 根据1 9 世纪以来 关于半导体在光照下能产生电流以及它和金属接触能起到整流和检波作用的现象，预见到 半导体有希望取代电子管。他决定组建固体物理研究小组，加强对固体物理基础理论的研 究。为此，开始聘请优秀的固体物理学家，其中就有从麻省理工学院获得博士学位的肖克 利和明尼苏达大学获得博士学位的布拉顿。1 9 4 0 年之前，固体物理小组主要从事半导体理 论的探索，很少做实验，只有对通信特别是电话的研究与发展有所用处时，才进行实验研 究。由于二战爆发，贝尔实验室转向对通信和雷达的实用研究，固体物理研究实际上被冻 结起来了，但是用半导体器件取代电子管的梦想却仍然萦绕在这些科学家的脑海之中，战 前的研究虽然中断了，但这却为这些科学家日后的研究工作积累了丰富的经验。 1 9 4 5 年，贝尔实验室总裁巴克利( o e b u c k l e y ) 为了适应该室研究从战时转向和平 时期的需要，决定从组织上进行彻底的改组，凯利升任实验室副总裁。同年夏天，贝尔实 验室决定重建固体物理研究小组，其宗旨就是要在固体物理理论的指导下，“寻找物理和 化学方法，以控制构成固体的原子和电子的排列和行为，以产生新的有用的性质”。2 这就 1 诺贝尔讲演全集编译委员会。诺贝尔讲演全集物理学卷2 福州：福建人民出版社，2 0 0 3 ：1 6 2 2 郭奕玲。沈慧君物理学史第2 版北京：清华大学出版社，2 0 0 5 ：3 2 0 8 首都师范大学硕士学位论文 明确地提出了固体物理研究小组的研究目标。 1 9 4 6 年1 月。贝尔实验室固体物理研究小组正式成立，最初小组共有七位专家。组长 肖克利，副组长摩根( s l o r g a n ) ，另外还有半导体专家皮尔逊( g l p e a r s o n ) 、物理化 学家吉布尼( r b g i b n e y ) 、电子线路专家摩尔( h r i o o r e ) 、实验物理学家布拉顿、理 论物理学家巴丁( 他当时在固体物理学方面已有一定的造诣) 。这个固体研究组可谓群英 荟萃，集各方面人才于一堂，称得上是一组黄金搭配。他们根据各自在3 0 年代中期之后 的经验，从刚成立时起就把重点放在了硅和锗这两种半导体材料的研究上 1 9 4 5 年4 月，肖克利正在筹备新的固体物理研究小组，他根据莫特一肖特基的整流理 论，并结合自己的实践经验，做出了一个大胆预言。他认为，如果硅或锗薄片的厚度与表 面空间电荷层的厚度差不多，那么就有可能通过在垂直于硅或锗表面方向上施加外电场来 调节薄片的电阻率，从而使平行于表面的电流得到控制。这就是“场效应”，也是后来场 效应晶体管的理论基础。可是，当布拉顿、皮尔逊等人按照肖克利的理论设想进行了几次 实验后，却得不到肖克利期待的结果。这是由于，当时肖克利的场效应在理论上和实验上 还不够成熟，实验材料的制备还有缺陷。 巴丁和肖克利早在2 0 世纪3 0 年代就已相识。二战结束后，尚在海军军械实验室的巴 丁原本打算回到明尼苏达大学，回到自己热爱的基础研究中去。但此时他已是两个儿子和 一个女儿的父亲，家庭负担加重，而明尼苏达大学提供的年薪又过低，巴丁只好另作选择。 肖克利早就了解巴丁的杰出才能，因此竭力高薪邀请巴丁来贝尔实验室工作。另外早年和 巴丁同为哈佛大学初级会员，当时在贝尔实验室( 后来成为了该室总裁) 的菲斯克( j a m e s f i s k ) 也极力支持巴丁来此工作。巴丁开始并没有当即做出决定，但经汤斯( c h a r l e s h t o w n e s ，1 9 1 5 一) 引导对贝尔实验室进行了一次参观后，他下定决心来此工作。巴丁 之所以选择来贝尔实验室工作从事半导体研究，除了对科学本身的兴趣以外，在他看来半 导体研究是个很有希望和前途的研究方向，半导体在电子仪器方面将会越来越重要。 1 9 4 5 年1 0 月，肖克利要求刚刚加入贝尔实验室的巴丁对自己“场效应”的设想进行 检验，说明实验失败，理论和实验不符的原因。1 9 4 6 年3 月，巴丁经过深入思考和认真研 究，联系自己早年在普林斯顿大学的工作，提出了表面态理论。他认为，半导体的表面上 有可能吸附一些正离子或负离子。从而使半导体表面形成表面能级，就像半导体内的杂质 会使半导体内部形成杂质能级一样。他计算出，即使低密度表面态，都足以使半导体内部 免受到加于其表面的甚至大电场的作用。在3 月底举行的小组会上，他向与会者介绍了表 面态理论。巴丁认为负电荷集中在半导体表层，正电荷恰好集中在负电荷层正下方，这种 9 首都师范大学硕士学位论文 电荷的双层结构也许就是半导体表面所固有的特性。巴丁的表面态理论使人们对表面和界 面的认识提高了一大步，为固体物理研究小组半导体器件的研究开辟了新思路，指明了前 进的方向。从此，固体物理研究小组调整了工作重点：一是利用表面态这个新理论，进行 一系列新实验；二是验证这个理论是否正确。巴丁同实验物理学家布拉顿和皮尔逊紧密协 作，表面态的存在随后被实验加以证实。巴丁也因其对表面态的研究后来被人们视为表面 物理学的先驱。 表面态理论的引入，使固体物理研究小组的工作登上了一个新的台阶。肖克利和巴丁 测量了一系列杂质浓度不同的p 型和n 型硅的表面接触电势。他们发现经过不同表面处理 或在不同的环境中，接触电势也不同。接着，布拉顿在实验中发现，当光照射硅的表面时， 其接触电势会发生变化，这就产生了光生电动势。 为了研究光生电动势的变化，他们准备进一步测量锗、硅的接触电势跟温度的关系。 为了避免水汽凝结在半导体表面造成的影响，他们把样品和参考电极浸在电解质中，这时 意外的情况出现了。他们发现，光生电动势大大增强，改变电压的大小和极性，光生电动 势也随之改变大小和符号。经过讨论，他们认识到，这正是肖克利预言的“场效应”电 解质改变了半导体表面的电荷分布和电势分布，从而影响到半导体表面的导电性。这一发 现促使固体物理小组增强了利用场效应实现功率放大作用的信心。 图2 在针尖周围放一滴水( 作电解液) 使水接触到硅表面 富有创见的巴丁提出了一个新方案。他们用薄薄的一层石蜡封住金属针尖，再把针尖 压进已经处理成1 1 型的p 型硅表面( 如图2 ) ，在针尖周围加一滴水作为电解质，水与硅表 面接触。带有蜡层的针同水是绝缘的。正如他们所预期的，加在水和硅之间的电压，会改 变从硅流向针尖的电流。这一实验使他们第一次实现了半导体的功率放大。后来，采用n 型锗进行实验，效果更好。然而，这样的装置还不具有实用价值，因为水滴很快便会被蒸 发掉，即使采用不易挥发的硼酸乙二醇，也存在着响应频率过低的问题。这种装置只能在 8 赫兹以下的频率才能有效地工作。 1 0 首都师范大学硕士学位论文 通过进一步的实验，他们发现，在电解液下面的锗表面会形成氧化膜，氧化膜是绝缘 的。于是他们就直接在氧化膜上蒸镀一个金点作为电极，氧化膜在金点与锗片之间起绝缘 作用。在金点中央留一个小孔以便让针尖与锗片接触然而，当他们在两极之间加上电压 时，意外的事情发生了。针尖与锗片之间发生了放电现象，继而锗片流向针尖的电流大增。 原来，氧化膜不牢固，绝缘层很容易被破坏掉。这一方案行不通。 他们决定在锗表面安置两个靠得非常近的触点，近到约0 0 5 m 的样子。而当时他们 用作接触的金丝直径最细也只有0 1 3 m ，这从工艺上来看，简直是无法实现的难题。然而， 实验技术高超的布拉顿做到了这一点，他想出了一条妙计他剪了一块三角形的塑料片， 在其狭窄而平坦的侧面上牢固地粘上金箔，金箔两端连接引线，以便接通电源。然后用剃 须刀片小心地从三角形塑料片的顶端把金箔割开。由于顶端非常尖细，可以做到两侧的间 距非常小。再用弹簧加压的办法，将塑料片和金箔一起压在经过处理的锗片上( 如图3 ) 。 他们发现，当轻轻摇动它，使它处于最佳的接触位置，就可以得到半导体同金箔两端的接 触点，一个是发射极，一个是集电极。这样他们就得到了一个放大倍数达1 0 0 量级的放大 器。于是，世界上第一只晶体管诞生了，这一天是1 9 4 7 年1 2 月1 6 日。 图3 用弹簧加塑料片连同金箔一起压在经过处理的锗片上 1 9 4 7 年1 2 月2 3 日，巴丁和布拉顿当着贝尔实验室的管理层和其他专家的面成功进行 了将话音调制的演示实验。次日，又做了把点接触型晶体管当作振荡器的实验。这两次实 验实际上确认了点接触晶体管的发明。晶体管的发明时间实际上就是点接触型晶体管的发 明时间，由于在许多文章中都详细介绍了1 9 4 7 年1 2 月2 3 日巴丁等向管理层和专家们进 行演示实验这件事情，以至于很容易在读者心目中形成一种错觉，好像点接触型晶体管就 是这一天发明的。但是如果我们把婴儿的出生时刻以脱离母体的那一瞬间为准的话，则晶 体管的发明时间就应该是1 9 4 7 年1 2 月1 6 日，而1 2 月2 3 日则相当于把婴儿抱给父亲看 的时间。因此，晶体管的诞生时间是1 9 4 7 年1 2 月1 6 日。 l f 首都师范大学硕士学位论文 图41 9 4 7 年巴丁和布拉顿发明的点接触型晶体管 在巴丁提出表面态理论之后，由于小组成员对半导体的研究工作如此得心应手，肖克 利就回到了他自己在战前所从事的有关合金中有序排列和无序排列等有关问题的研究工 作中去了。巴丁和布拉顿点接触型晶体管的成功发明，极大地刺激了圆体物理研究小组组 长肖克利。1 9 4 8 年1 月，经过一个月的努力工作，肖克利又提出了结型晶体管理论。 ( 三) 晶体管发明的影响和启示 图5 晶体管的三位发明者布拉顿( 左) 、肖克利( 中) 和巴丁( 右) 晶体管的发明是时代发展的必然产物，是2 0 世纪科技史上最重要的发明之一。它源于 固体物理学的进展，也是社会需求推动的结果。晶体管的问世对人类社会产生了广泛而深 远的影响。第一，晶体管克服电子管的缺陷，以其体积小、耗能少、价格低廉等诸多优点 取代了电子管，成为了电子技术的最基本元件。第二，基于晶体管的发明，1 9 5 8 年第一块 集成电路研制成功，这种集成电路经过小、中、大、超大规模集成的历程，正向巨大规模 方向发展。第三，由于晶体管和集成电路的发明，促使电子计算机技术得到进一步发展， 进而开创了微电子革命的到来，并导致了信息革命的出现今天，晶体管几乎无处不在， 小到人们日常生活中所使用的助听器、收音机、录音机和电视机，大到实验室仪器、工业 生产及国防设备、电子计算机、机器人、宇宙飞船等，都离不开晶体管。可以毫不夸张地 1 2 首都师范大学硕士学位论文 说，正是晶体管奠定了现代电子技术的基础，开启了信息时代的大门第四，晶体管的发 明，带动了产业革命，开辟了亿万个就业岗位，改变了人们的生产、生活方式，给社会生 产力带来了巨大而深刻的变化，从而证明了科学在历史上所起的推动作用和革命力量。第 五，由于巴丁、布拉顿和肖克利对晶体管这一划时代发明所做出的杰出贡献，他们同获1 9 5 6 年的诺贝尔物理学奖，创造了企业研发机构有史以来因技术发明而获诺贝尔奖的先例。 晶体管发明过程中的突出特点，对于其他科技的产生和发展有重要的参考和启示意 义，特别是对工业企业研发机构具有重要的指导意义第一，晶体管是工业企业研发机构 从事基础研究的重大成果，它突出了科学对技术的主导作用，科学创新的先行作用。第二， 机遇总是垂青那些有准备的人。贝尔实验室领导层富有远见，很早就预见了固体器件必然 代替电子管。第三，晶体管是贝尔实验室科学的研究政策、良好的科研环境、宽松而民主 的科研氛围的产物。面对崭新的科研课题，贝尔实验室领导层放手让研究人员在广阔的领 域内大胆思考和探索，充分发挥了大家的积极性和创造性。第四，贝尔实验室重视人才， 领导层知人善任、博采众长，聘请了像巴丁、布拉顿、肖克利等一批杰出的人才，组建了 一支高效的科研团队，最终导致了晶体管的发明。 总之，晶体管的影响面非常广泛，对人类社会发展的影响意义深远。 ( 四) 惜别贝尔实验室 一 对于贝尔实验室和固体物理研究小组来说，点接触型晶体管的诞生无疑是一个具有重 大历史意义的圣诞节礼物，但对于时任固体物理研究小组组长的肖克利而言，他的内心却 充满了无限的惆怅和遗憾之情，他为自己最早提出场效应理论，却没有能够直接参与点接 触型晶体管的发明而懊恼不已。不过，在巴丁和布拉顿点接触型晶体管发明的刺激下，肖 克利也很快发明了自己的结型晶体管。就结型晶体管而言，它比点接触型晶体管结构更简 单、性能更强、体积更小，并且更易于制造，因此，它很快便取代了点接触型晶体管。在 看到晶体管拥有巨大潜能的情况下，肖克利要求小组大部分成员加强对晶体管的应用进行 更深入的研究，这无形中占用了固体物理研究小组成员宝贵的基础研究时光。他的行为无 疑与像巴丁这样自主的科学家产生了不一致。巴丁更希望能够进行超导电