晶体管的诞生

晶体管的诞生

1936年,在号称" 工程师的摇篮" 的美国麻省理工学院,一位不速客悄悄推开了博士生肖克利的房门。来者自报家门,说明他来自贝尔实验室,名叫凯利。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。毕业后,肖克利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---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。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" 。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。

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" 到了" 珍宝" ,然而,战争毕竟来临了,肖克利和布拉顿先后被派往美国海军部从事军事方面的研究,刚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。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,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。

1948年,美国专利局批准了贝尔实验室这种被命名为晶体管的发明专利。然

而,专利书上的发明人只列着布拉顿和巴丁。肖克利看后,一笑置之,表现出真正的" 大将风度" 。此后,肖克利一举攻克晶体管中的另一座" 堡垒" :他发明了一种" 结型晶体管" ,离布拉顿和巴丁发明" 点接触型晶体管" 的时间仅隔一年。人们后来知道,结型晶体管才是现代晶体管的正宗始祖,它不仅预示着半导体技术的发展方向,而且是肖克利坚韧不拔的精神体现,以致有人诙谐地给它起了个绰号叫" 坚持管" 。

1948年7月1日,美国《纽约时报》只用了8个句子的篇幅,简短地公开了贝尔实验室发明晶体管的消息。" 一石激起千层浪" ,它就像颗重磅炸弹,在全世界电子行业" 引爆" 出强烈的冲击波。电子计算机终于就要大步跨进第二代的门槛! 1954年,贝尔实验室使用800支晶体管组装成功人类有史以来第一台晶体管计算机TRADIC 。

1956年,肖克利、布拉顿和巴丁手挽手肩并肩,迈步登上诺贝尔奖的领奖台。

1947年的晶体管

自此人们与晶体管之间的联系日益紧密,这源于 1951 年晶体管首次在LSI 位于宾夕法尼亚州Allentown 联合大道 (Union Boulevard) 的原西方电子厂进行常规生产。西方电子 (Western Electric) 当时是一家集办公室、实验室、工厂于一体的公司。西方电子和贝尔实验室都是AT&T(贝尔系统)的一部分。

由于在纽约的电子管市场不够大,也不够成熟,难以满足日新月异的技术需求,西方电子决定在1946年将公司业务扩展到宾西法尼亚州的Lehigh Valley ,并于1947年的晚些时候在Allentown 正式投入量产。当第一条晶体管生产线于1951年建成后,一场从电子管技术到固态技术的再培训计划也随之开始。1952年晶体管首次成功应用于电话网络。

IOTATRON?

每一项新发明都需要一个名称,贝尔实验室想了好几个,什么“半导体三极真空管”、“固态三极真空管”、 “表面状态三极真空管”、“晶体三极真空管”、“Iotatron”等。但最终John Pierce提出并采用了“晶体管”一词。

Pierce 回忆说:“我之所以提出这个名字,着重考虑了该器件是做什么的。那时,它本应该是电子管的复制品。电子管有跨导,晶体管就应该有跨阻” 此外,这个器件的名称应当与变阻器、电热调节器等其它器件名称相匹配。于是我建议采用“晶体管”这个名字。

这一重要的周年庆典日前在加利福尼亚州和宾西法尼亚州隆重举行。

鉴于Allentown 市与晶体管之间的联系,市长 Ed Pawlowski 发表声明,将今年的12月16日,星期天(也就是晶体管诞生60周年纪念日)命名为 “Allentown市晶体管日”。

另外,LSI 将首枚晶体管的副本捐赠给坐落于加州Mountain View 市的计算机历史博物馆(CHM),在这里存放着信息时代各种具有历史意义的纪念物及名人故事。这个博物馆是世界上与计算机历史相关的物品、软件、文档、动态及动态影像和名人故事的最大最重要的收藏地。

昨日的历史激励着今日的无限创新。

LSI 的首席执行官Abhi Talwalkar说:“人们常说,我们今天之所以能够取得如此辉煌的成就,是因为我们站在前辈巨人的肩膀上。在我们庆祝晶体管,这一20世纪无疑最重要的发明诞生之际这句话尤其适合。幸运的是,发明晶体管的创新精神今天仍然像过去一样绽放着进取的光芒。”

计算机历史博物馆的首席执行官John O’Toole补充说:“没有晶体管这个现代微电子技术的基本构建块,就不会有今天计算机产业的蓬勃发展。”

晶体管的重要性起初不被理解。贝尔实验室名誉总裁 Ian M. Ross 在一篇 IEEE 文章中写道晶体管的发明“使我们的社会发生了伟大变革,这场变革的深远意义不亚于钢铁的发现、蒸汽机的发明以及英国工业革命。”

晶体管的发明工作始于新泽西的默里山,在这里科学家们正在寻找电子管的替代品。电子管虽然能够放大音乐和语音,并使长途通话在 20 世纪上半叶成为现实,但问题在于电子管功耗大,产生的热量过多,且极易烧坏。

如图所示,正在探索新的解决方案的科学家——固态物理学理论家 William Shockley、实验物理学家 Walter Brattain 以及理论物理学家 John Bardeen。

Bardeen 和 Brattain 过去一直在对半导体的性质进行研究。结合他们的专业技术,Bardeen 和 Brattain 对另一种半导体材料锗进行了实验。锗是一种具有金属光泽、金刚石型晶体结构的灰白色物质。晶体管是在一次试验中偶然发现的,当时 Brattain 正在观察与两条相距千分之二英寸的电线接触的锗晶体可以产生放大效果。

使用硅材料的技术被开发之前,锗在晶体管发展的初始几年一直被用作半导体材料。硅的储量更为丰富,是一种更耐用的半导体材料。

同时,他们发明的晶体管继续以或微小或巨大的方式改变着整个世界。

1954 年,随着第一台晶体管无线电的售出,晶体管成为大众文化的一部分,这是为晶体管发明者们所称道的一个发展。

直到 20 世纪50年代后期,晶体管成为了电子电话转接系统的一个不可分割的组成部分,也成为便携式收音机、计算机和雷达等其它重要产品和服务的关键组件。

随着半导体技术的不断发展,晶体管的运行速度更快,可靠性更高,成本也更低。1959 年,随着能够将大量的晶体管及其它电子器件集成到一块硅片上的集成电路的发明,晶体管取得

了新的突破。

这些微芯片不仅使得晶体管的创新达到了新的高度,而且还推动了信息时代的发展。

自晶体管发明以来,其尺寸不断缩小,到现在,60亿(相当于目前全球人口数量)枚晶体管所占面积不过仅为一张信用卡的大小而已。

2007年12月16日成为Allentown 市晶体管日


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