半导体及晶体管的发明

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1、晶体管的发明美国三位博士发明晶体管1947 年 12 月 23 日，美国科学家巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士，在导体电路 中进行用半导体晶体把声音信号放大的实验时，发明了科技史上具有划时代意义的成果 晶体管。因它是在圣诞节前夕发明的，而且对人们未来的生活发生如此巨大的影响， 所以被称为“献给世界的圣诞节礼物”。1947 年 12 月 23 日，美国新泽西州墨累山的贝尔实验室里，3 位科学家巴丁博 士、布菜顿博士和肖克莱博士在紧张而又有条不紊地做着实验。他们在导体电路中正在 进行用半导体晶体把声音信号放大的实验。3 位科学家惊奇地发现，在他们发明的器件中 通过的一部分微量电流，竟然可以控制另一

2、部分流过的大得多的电流，因而产生了放大 效应。这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果一一晶体管。这3位科学家因 此共同荣获了 1956 年诺贝尔物理学奖。晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主 要部件，它及时、普遍地首先在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。由 于晶体管彻底改变了电子线路的结构，集成电路以及大规模集成电路应运而生，这样制 造像高速电子计算机之类的高精密装置就变成了现实。晶体管发明人之一 Walter H. Brattain1936 年，在号称“工程师的摇篮”的美国麻省理工学里，一位不速客悄悄推开了博士生 肖克利的房门。来者自

3、报家门，说明他来自贝尔实验室，大名叫做凯利。肖克利吃了一 惊，他久闻这位著名物理学家的大名。“小伙子，愿意来贝尔实验室工作吗？”凯利快人快语，毫不掩饰自己来麻省“挖人”的 意图。凯利的话使肖克利怦然心动，贝尔实验室在电子学方面开展着世界上规模最大的 基础研究，发明专利的注册已达近万项之多。肖克利太愿意到贝尔实验室工作了！毕业 后，他毫不迟疑地打点行装，来到了新泽西。贝尔实验室里早就有位青年人，似乎在等着肖克利的到来，他的名字叫布拉顿。布 拉顿先后取得过理学硕士和哲学博士学位，从 1929 年起就加盟贝尔实验室。两位青年志 趣相投，一见如故。肖克利专攻理论物理，布拉顿则擅长实验物理，知识结构相得

4、益彰， 大有相见恨晚的感觉。工作之余，他们也常聚在一起“侃大山”。从贝尔电话上的继电器， 到弗莱明、德福雷斯特发明的真空管，凡是涉及到当时电子学中的热门话题无话不谈。 直到有一天，肖克利讲到一种“矿石”时，思想碰撞的火花终于引燃了“链式反应”。肖克利激动地对布拉顿说，“有一类晶体矿石被人们称为半导体，比如锗和硅等等， 它们的导电性并不太好，但有一些很奇妙的特性，说不定哪天它们会影响到未来电子学 的发展方向。”布拉顿心领神会，连连点头称是。如果不是第二次世界大战爆发，肖克利和布拉顿或许更早就“挖掘”到什么“珍宝”，然 而，战争毕竟来临了，肖克利和布莱顿先后被派往美国海军部从事军事方面的研究，刚

5、刚开始的半导体课题遗憾地被战火中断。1945 年，战火硝烟刚刚消散，肖克利一路风尘赶回贝尔，并带来了另一位青年科学 家巴丁。肖克利向布拉顿介绍说，巴丁是普林斯顿大学的数学物理博士，擅长固体物理 学。巴丁的到来，对肖、布的后续研究如虎添翼，他渊博的学识和固体物理学专长，恰 好弥补了肖克利和布拉顿知识结构的不足。贝尔实验室迅速批准固体物理学研究项目上马，凯利作为决策者在课题任务书上签 署了大名。 由肖克利领衔， 布拉顿、巴丁等人组成的半导体小组把目光盯住了那些特 殊的“矿石”。肖克利首先提出了“场效应”半导体管实验方案，然而首战失利，他们并没有 发现预期的那种放大作用。1947 年的圣诞节即将来临

6、，这天晌午时分，布拉顿和巴丁不约而同地走进实验室。 在此之前，由于有巴丁固体表面态理论的指导，他俩几乎接近了成功的边缘。实验表明， 只要将两根金属丝的接触点尽可能地靠近，就可能引起半导体放大电流的效果。但是， 如何才能在晶体表面形成这种小于 0.4 毫米的触点呢？ 布拉顿精湛的实验技艺开始大显 神威。他平稳地用刀片在三角形金箔上划了一道细痕，恰到好处地将顶角一分为二，分 别接上导线，随即准确地压进锗晶体表面的选定部位。电流表的指示清晰地显示出，他们得到了一个有放大作用的新电子器件！布拉顿和 巴丁兴奋地大喊大叫起来，闻声而至的肖克利也为眼前的奇迹感到格外振奋。布拉顿在 笔记本上这样写道：“电压增

7、益100,功率增益40实验演示日期1947年12月23日 下午。”作为见证者，肖克利在这本笔记上郑重地签了名。 随着科技的发展,人们对生产的机械在体积上向体积越来越小的方向发展,由于电子管 的体积大,而且在移动过程中容易损坏,越来越多的表现出其的弊端,于是人们开始寻 找和开发电子管的可替代产品随着后来的晶体管的出现,已越来越多的机械不再使用 电子管晶体管的出现是人类在电子方面一个大的飞跃 早在30年代,人们已经尝试着制造固体电子元件但是,当时人们多数是直接用模仿制 造真空三极管的方法来制造固体三极管因此这些尝试毫无例外都失败了年 6 月的一天,在美国贝尔实验室的一个房间里,一架样式很普通的收音

8、机正在播放着 轻柔的音乐,许多参观者在它面前驻足不前为什么大家都对这台收音机情有独钟呢？ 原来这是第一架不用电子管,而代之以一种新的固体晶体管 元件晶体管的收音机虽然人们对这架收音机显露出浓厚的兴趣然而,他们对晶 体管本身却不以为然美国纽约先驱论坛报的记者在报道中写道： “这一器件还在实 验室阶段,工程师们都认为它在电子工业中的革新是有限的”事实上,晶体管发明以后, 在不长的时间内,它的深远影响便很快地显示出来它在电子学领域完成了一场真正的 革命什么是晶体管呢？通俗地说,晶体管是半导体做的固体电子元件像金银铜铁等金属, 它们导电性能好,叫做导体木材、玻璃、陶瓷、云母等不易导电,叫做绝缘体导电

9、性能介于导体和绝缘体之间的物质,就叫半导体晶体管就是用半导体材料制成的这 类材料最常见的便是锗和硅两种半导体是19世纪末才发现的一种材料当时人们并没有发现半导体的价值,也就没有注 重半导体的研究直到二次大战中,由于雷达技术的发展,半导体器件 微波矿石检 波器的应用日趋成熟,在军事上发挥了重要作用,这才引起了人们对半导体的兴趣许 多科学家都投入到半导体的深入研究中经过紧张的研究工作，美国物理学家肖克利、 巴丁和布拉顿三人捷足先登，合作发明了晶体管一种三个支点的半导体固体元件晶 体管被人们称为“三条腿的魔术师”它的发明是电子技术史中具有划时代意义的伟大事 件，它开创了一个崭新的时代固体电子技术时代

10、他们三人也因研究半导体及发现 晶体管效应而共同获得 1956 年最高科学奖诺贝尔物理奖肖克利小组与晶体管美国人威廉肖克利，1910年2月13日生于伦敦，曾在美国麻省理 工学院学习量子物理，1936年得到该校博士学位后，进入久负盛名的贝尔实验室工作贝 尔实验室是电话发明人贝尔创立的在电子、特别在通讯领域是最有名气的研究所，号 称“研究王国”.早在1936年，当时的研究部主任，后来的贝尔实验室总裁默文凯利就对 肖克利说过，为了适应通讯不断增长的需要，将来一定会用电子交换取代电话系统的机 械转换这段话给肖克利留下了不可磨灭的印象，激起他满腔热情，把毕生精力投入到 推进电子技术进步的事业中.沃尔特布拉

11、顿也是美国人，1902年2月10日出生在中国 南方美丽的城市厦门，当时他父亲受聘在中国任教布拉顿是实验专家， 1929年获得明 尼苏达大学的博士学位后，进入贝尔研究所从事真空管研究工作温文儒雅的美国人巴 丁是一个大学教授的儿子， 1908年在美国威斯康星州的麦迪逊出生，相继于1928年和 1929 年在威斯康星大学获得两个学位后来又转入普林斯顿大学攻读固体物理， 1936 年获得博士学位.1945年来到贝尔实验室工作.默文凯利是一位颇有远见的科技管理人 员他从30年代起，就注意寻找和采用新材料及依据新原理工作的电子放大器件在第 二次世界大战前后，敏锐的科研洞察力促使他果断地决定加强半导体的基础

12、研究，以开 拓电子技术的新领域.于是， 1945年夏天，贝尔实验室正式决定以固体物理为主要研究 方向，并为此制定了一个庞大的研究计划.发明晶体管就是这个计划的一个重要组成部 分. 1946年1 月，贝尔实验室的固体物理研究小组正式成立了.这个小组以肖克利为首， 下辖若干小组，其中之一包括布拉顿、巴丁在内的半导体小组.在这个小组中，活跃着 理论物理学家、实验专家、物理化学家、线路专家、冶金专家、工程师等多学科多方面 的人才.他们通力合作，既善于汲取前人的有益经验，又注意借鉴同时代人的研究成果， 博采众家之长.小组内部广泛开展有益的学术探讨. “有新想法，新问题，就召集全组讨 论，这是习惯”.在这

13、样良好的学术环境中，大家都充满热情，完全沉醉在理论物理领域 的研究与探索中.开始，布拉顿和巴丁在研究晶体管时，采用的是肖克利提出的场效应概念.场效应设想 是人们提出的第一个固体放大器的具体方案根据这一方案，他们仿照真空三极管的原 理，试图用外电场控制半导体内的电子运动但是事与愿违，实验屡屡失败 人们得到的效应比预期的要小得多人们困惑了，为什么理论与实际总是矛盾的呢？ 问题究竟出在那里呢？经过多少个不眠之夜的苦苦思索，巴丁又提出了一种新的理论 表面态理论这一理论认为表面现象可以引起信号放大效应表面态概念的引入， 使人们对半导体的结构和性质的认识前进了一大步布拉顿等人乘胜追击，认真细致地 进行了一

14、系列实验结果，他们意外地发现，当把样品和参考电极放在电解液里时，半 导体表面内部的电荷层和电势力发生了改变，这不正是肖克利曾经预言过的场效应吗?这 个发现使大家十分振奋在极度兴奋中，他们加快了研究步伐，利用场效应又反复进行 了实验谁知，继续实验中突然发生了与以前截然不同的效应这接踵而至的新情况大 大出乎实验者的预料人们的思路被打断了，制作实用器件的原计划不能不改变了，渐趋明朗的形势又变得扑 朔迷离了然而肖克利小组并没有知难而退他们紧紧循着茫茫迷雾中的一丝光亮，改 变思路，继续探索经过多次地分析、计算、实验，1947 年12月23日，人们终于得到 了盼望已久的“宝贝”这一天，巴丁和布拉顿把两根触

15、丝放在锗半导体晶片的表面上，当 两根触丝十分靠近时，放大作用发生了世界第一只固体放大器 晶体管也随之诞生 了在这值得庆祝的时刻，布拉顿按捺住内心的激动，仍然一丝不苟地在实验笔记中写 道：“电压增益100,功率增益40,电流损失1/2.5亲眼目睹并亲耳听闻音频的人有 吉布尼、摩尔、巴丁、皮尔逊、肖克利、弗莱彻和包文”在布拉顿的笔记上，皮尔逊、 摩尔和肖克利等人分别签上了日期和他们的名字表示认同巴丁和布拉顿实验成功的这种晶体管,是金属触丝和半导体的某一点接触,故称点接触 晶体管这种晶体管对电流、电压都有放大作用晶体管发明之后基于严谨的科学态度,贝尔实验室并没有立即发表肖克利小组的研究成 果他们认为

16、,还需要时间弄清晶体管的效应,以便编写论文和申请专利此后一段时 间里,肖克利等人在极度紧张的状态中忙碌地工作着他们心中隐藏着一丝忧虑如果 别人也发明了晶体管并率先公布了,他们的心血就付之东流了他们的担心绝非多虑, 当时许多科学家都在潜心于这一课题的研究1948年初,在美国物理学会的一次会议上, 柏杜大学的布雷和本泽报告了他们在锗的点接触方面所进行的实验及其发现当时贝尔 实验室发明晶体管的秘密尚未公开,它的发明人之一 布拉顿此刻就端坐在听众席 上布拉顿清楚地意识到布雷等人的实验距离晶体管的发明就差一小步了因此，会后 布雷与布拉顿聊天时谈到他们的实验时，布拉顿立刻紧张起来他不敢多开口，只让对 方讲话，生怕泄密给对方，支吾几句就匆匆忙忙地走开了后来，布雷曾惋惜地说过：“如 果把我的电极靠近本泽的电极，我们就会得