晶体管发明简史

晶体管发明简史晶体管—20世纪在电子技术方面最伟大的发明，推动了信息革命，带动了产业革命，开辟了亿万个就业岗位，改变了人类社会工作方式和生活方式，奠定了现代文明社会的基础。.激动人心的时刻1947年12月23日，那是圣诞节的前一天，威廉肖克力把车开到离纽约市20公里的贝尔实验室。那时天空阴暗，才早上7点，他匆忙走过空空荡荡的走廊，到达二楼办公室。在那里，他心情激动的等待着他的同事们。因为当天下午他们要向贝尔实验室的领导演示他们的新发明 不用电子管的放大器。大约一个小时后，约翰巴丁和瓦尔特布莱顿陆续来到实验室。巴丁进行了一些简单的计算，布莱顿和他的助手再一次检查对那个神秘装置的接线。布莱顿望着窗外连绵的细雨，心里嘀咕那是吉祥还是灾难的预兆。午餐后，贝尔实验事的各方面领导来到实验室，其中有固体小组组长肖克力，肖克力的上司、声学家Fletcher，贝尔实验室的研究室主任Bown，此外还有提供错样品的Gibney，和巴丁、布莱顿在同一试验室的Pearson，负责接线测试的Moore.展示在他们面前的，除了常规的仪器设备如示波器、信号发生器、变压器、话筒、耳机、电表、转换开关之外，就是被他们围绕着的神秘装置。它是由两边包着金箔的塑料楔形体，由弹簧压在错半导体表面上所组成的，两部的金箔分别接信号的输入端和输出端，错半导体底部为共同端。在简短介绍之后，布莱顿接通电源和信号。从示波器荧光屏上显示的，经放大器前后的波形对比，可以看到信号是显著的被放大了。布莱顿然后对着话筒随意讲一些话，带着耳机的Bown脸上立刻露出惊奇的神情。它把耳机传给Fletcher，Fletcher听了之后不断的摇头惊叹。这激动人心的情景，令人回忆起70年代前电话的发明者亚历山大贝尔在波士顿住所的阁楼上拿着话筒对他的助手说：，华生先生到这里来，我需要你'的现场。他们似乎预感到，科学发展史中另一个新篇章已经开始了。.漫长而曲折的道路晶体管的发明是许许多多科学工作者辛勤工作的结晶。早在20世纪30年代，从事电话业务的企业就希望能有一种电子器件，它具有电子管的功能但却没有电子管的灯丝，因为加热灯丝不仅消耗能量而且加热需要时间，这就延长了工作时的启动过程；再加上灯丝有一定的寿命，连续使用一年半载就要更换；此外，灯丝发出的热量有时还需要排除。这些缺点给电子管设备的设计者、使用者、维修者带来很多不便。对此，军事部门需要解决的迫切性更为强烈。有鉴于此，当时贝尔实验室主任Kelly根据19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的作用的现象，认为半导体有希望取代电子管。为此，要加强对固体物理基础理论的研究。从1936年起开始招聘有关的尖端人才，组成研究小组。肖克力那时和布莱顿都是其中的成员，他们共同研究的课题是氧化铜的工作原理。肖克力想以氧化铜制成三极管，但实验屡次失败。1939年贝尔实验室的科学家Ohl和Scaff制成两个方向导电性能不同的硅棒，而且用光照时能产生电流。他们定义一端为P另一端为N。后来Theuzer发现，将微量的硼加入融化的硅中，冷却后即成为P型半导体，而将微量的磷加入后，即成N半导体。1940年Kelly召集布莱顿和其他一些人观看Ohl做的光电效应表演，布莱顿看了之后，连连摇头说：“这简直不可思议”。因为他花费多年心血研究出来的成果，其电流值还不到人家的1/10。随着二战爆发，肖克力和布莱顿都另有任务，他们的研究课题就搁置下来。二战结束后，肖克力和布莱顿又回到了贝尔实验室，那时Kelly已是贝尔实验室的副总经理，他继续推行研究固体物理的方针，于1945年成立固体物理研究小组，由肖克力任组长。肖克力上任后做的第一件事就是聘用巴丁和其它一些科学家，第二件事是整理过去有关半导体方面的文献，第三件事是到普渡大学调研，尽可能获得最新信息，然后提出构成一个半导体三极管的设想。那就是将一片金属覆盖在半导体上面，利用金属与半导体之间的电压所产生的电场来控制在半导体中通过的电流，这基本上是结型场效应管的工作原理。不幸的是，布莱顿等人进行了多次试验都没有成功。1946年巴丁分析了失败的原因，提出了表面状态理论。即由于半导体的表面晶体有缺陷，它能捕获电子，形成对电场的屏蔽，使场效应无法实现。1947年的下半年，他们已经采用在金属与半导体之间加入电解质并在它和半导体之间通电以消除表面状态的方法，使半导体的表面电阻能在一定范围内变化，但还存在没有电压增益以及频率响应只能达到10Hz等缺点。1947年12月11日，同组的物理化学家Gibney向他们提供了一个N型错片，上面生成了氧化层（取代电解质），在氧化层上面又沉淀了5个小金粒。布莱顿在金粒上面打了一个小洞，用钨丝穿过小洞和氧化层达到半导体作为一个电极，希望通过改变金粒和半导体之间的电压能改变电极和半导体之间的电阻（或流过半导体的电流）。布莱顿在做实验时，发现金粒与半导体之间的电阻很小，二者几乎形成短路，即氧化层没有起绝缘作用。而当布莱顿在金粒和钨丝加上负电压后，发现没有输出信号。在操作过程中，布莱顿不小心将钨丝和金粒短路，将金粒烧毁。布莱顿分析失败的原因，是由于用水冲洗时将氧化层的氧化膜一起冲走，从而造成短路。他将钨丝电极移到金粒的旁边，加上负电压，而在金粒上加了正电压，突然间，在输出端出现和输入端变化相反的信号，巴丁和布莱顿立刻意识到一个历史性的新纪元开始了。初步测试的结果显示：电压放大倍数为2，上限频率可达1万Hz，至此，前面所说的两个缺点都被克服。此后的几天，他们把试验装置进行了改进，测得的功率增益为大于18。根据记录，晶体管的发明时间应该是1947年12月15日，根据小组成员对这项工作的贡献大小，推举巴丁和布莱顿为发明人。考虑肖克力在发明前后对晶体管理论的研究成就，他和巴布三人共同获得1956年诺贝尔物理学奖。.发明以后那个“神秘装置”表演成功以后，要给它起一个名字。按常规，这个光荣任务由巴丁和布莱顿来承担。他们为此订了几条原则：第一，字节不要过长，以2〜3为度；第二，最后两个字母应该是er或or，表示与其它电子元件一致，例如：Resistor；第三，要体现它的性能特点。巴和布苦思冥想了好久，始终没能提出合适的。有一天，恰巧以写科幻小说出名的作家Pierce从他们办公室门口走过，他们急忙把他拦住，说：“你正是我们要找的人！”陈述原委之后，Pierce问：“他的特点是什么？’答：“和电子管相仿。”又问：“电子管最突出的性能是什么？"答：“Transconductance。"Pierce一拍脑袋说：“那么就叫Transresistor如何？”他们认为这个主意不错，但字节太长，于是就把它压缩成为Transistor020世纪50年代我国科学家按上述三原则把它译成晶体管，延用至今。晶体管的发明是研究小组送给贝尔实验室的最丰盛的圣诞礼物，有关的人门无不欢欣鼓舞，然而有一位却例外，那就是肖克力。他自幼天资聪明，从不甘居后，但在这场战役中，他作为一组之长，既没有身先士卒又没有亲自指挥，没有被列入发明家是理所当然的，这使他的自尊心受到很大的打击。沮丧之余，他又转回来研究晶体管，但不是和大家一起集中精力开发巴丁和布莱顿发明的点触式晶体管，而是研究用PN结代替点接触，这样做在工艺上比较容易实现而且性能比较稳定可靠。然而他却不和巴丁、布莱顿进行交流，而是背着大家干。于是巴丁和布莱顿逐渐离开小组到其它岗位，而肖克力提出的场效应管和结型晶体管的研究工作倒也取得很大进展。看到半导体形式大好，肖克力于1955年脱离贝尔实验室，1956年在加州硅谷创建他自己的“肖克力半导体实验室”，并从贝尔实验室和其它单位招聘一些杰出的科学家，想大干一场，但由于经营不等原因，实验室于1965年倒闭。鉴于晶体管发明后小组人才不断流失的情况，贝尔实验室放弃了自己开发、生产晶体管的设想，而把这项任务通过出售产品许可证的方式转移给有关企业。首先得到许可证的有:RCA、GE、Philco、Westinghouse等八家制造电子管的公司，到1956年，贝饵实验室已从中收入百万元，相当于从一开始到1949年全部研究晶体管的费用。在应用方面，1953年首先用于助听器，1954年德州仪器公司（TI）制成硅三极管并用它制成第一批晶体管收音机，售价49.95美元，不久这个市场却被日本的索尼（当时是一个不知名的小公司）公司所占有。到了1958年至1