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晶体管,到底是谁发明的?

发布时间:2023-02-01作者来源:萨科微浏览:1633


在上篇文章中,我给大家提到,电子管虽然能够实现检波和放大,但是存在很多缺点,例如体积大、故障率高、容易损坏(玻璃管子)、发热大、能耗高等等。

正因为有这些缺点,专家们一直在思考,是不是有性能更好、缺点更少的元器件,可以取代电子管,支撑电子产业的长远发展。

想着想着,他们将目光放到了矿石检波器的身上。


█ 矿石检波器——世界上最早的半导体器件

矿石检波器比电子管历史更加悠久。它利用的,是一些天然矿石(金属硫化物)的电流单向导通特性(详见上篇)。

这种特性,其实并不新奇。在很多很多年以前,就已经有人发现了这种特性。

1782年,意大利[敏感词]物理学家亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta),经过实验总结,发现固体物质大致可以分为三种:

[敏感词]种,像金银铜铁等这样的金属,极易导电,称为导体

第二种,像木材、玻璃、陶瓷、云母等这样的材料,不易导电,称为绝缘体

第三种,介于导体和绝缘体之间,会缓慢放电。

第三种材料的奇葩特性,伏特将其命名为“Semiconducting Nature”,也就是“半导体特性”。这是人类历史上[敏感词]次出现“半导体”这一称呼。

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亚历山德罗·伏特

后来,陆续有多位科学家,有意或无意中,发现了一些半导体特性现象。例如:

1833年,迈克尔·法拉第(Michael Faraday)发现,硫化银在温度升高时,电阻反而会降低(半导体的热敏特性)。

1839年,法国科学家亚历山大·贝克勒尔(Alexandre Edmond Becquerel)发现,光照可以使某些材料的两端产生电势差(半导体的光伏效应)。

1873年,威勒毕·史密斯(Willoughby Smith)发现,在光线的照射下,硒材料的电导率会增加(半导体的光电导效应)。

……

这些现象,当时没有人能够解释,也没有引起太多关注。

1874年,德国科学家卡尔·布劳恩(Karl Ferdinand Braun)发现了前面所说的天然矿石(金属硫化物)的电流单向导通特性。这是一个巨大的里程碑。

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卡尔·布劳恩

可惜的是,布劳恩并没有重视这个发现,反而转去研究阴极射线管(也就是CRT,它是现代显示技术的基础)。

后来,海因里希·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)成功证实了无线电磁波的存在,布劳恩又转回无线电的研究。他与马可尼合作,大幅改进了早期的无线通信系统。两人共同获得了1909年的诺贝尔物理学奖。

1906年,美国工程师格林里夫·惠特勒·皮卡德(Greenleaf Whittier Pickard),基于黄铜矿石晶体,发明了[敏感词]的矿石检波器(crystal detector),也被称为“猫胡须检波器”(检波器上有一根探针,很像猫的胡须,因此得名)。

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矿石检波器

矿石检波器是人类最早的半导体器件。它的出现,是半导体材料的一次“灵光乍现”。尽管它存在一些缺陷(品控差,工作不稳定,因为矿石纯度不高),但有力推动了无线电通信的发展。基于矿石检波器制造的收音机产品大量普及,极大加强了人类信息的传递。

人们使用着矿石检波器,却始终想不明白它的工作原理。在此后的30余年里,人们反复思考——为什么会有半导体材料?为什么半导体材料可以实现单向导电?

早期的时候,很多人甚至怀疑半导体材料是否真的存在。[敏感词]物理学家泡利(Pauli)曾经表示:“人们不应该研究半导体,那是一个肮脏的烂摊子,有谁知道是否有半导体的存在。”


█ 量子力学——半导体的理论基石

1904年,世界上[敏感词]个电子管(真空管)诞生,标志着人类进入了电子管时代。电子管的崛起,降低了人们对矿石检波器和半导体技术的关注热情。

后来,随着量子力学的诞生和发展,半导体的理论研究终于有了突破。

1928年,德国物理学家、量子力学创始人之一,马克斯·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck),在应用量子力学研究金属导电问题中,首次提出了固体能带理论。

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量子理论之父,普朗克

他认为,在外电场作用下,半导体导电分为“空穴”参与的导电(即P型导电)和电子参与的导电(即N型导电)。半导体的许多奇异特性,都是由“空穴”和电子所共同决定的。(限于篇幅,详细技术原理后续再介绍。)

能带论的出现,[敏感词]次从科学角度解释了,为什么固体可以分为绝缘体、导体、半导体。

1931年,英国物理学家查尔斯·威尔逊(Charles Thomson Rees Wilson)在能带论的基础上,提出半导体的物理模型,奠定了半导体学科的理论基础。

1939年,苏联物理学家А.С.达维多夫(А.С.Давыдов)、英国物理学家内维尔·莫特(Nevill Francis Mott)、德国物理学家华特‧肖特基(Walter Hermann Schottky),纷纷为半导体基础理论添砖加瓦。达维多夫首先认识到半导体中少数载流子的作用,而肖特基和莫特提出了[敏感词]的“扩散理论”。

基于这些大佬们的贡献,半导体的基础理论大厦,逐渐奠基完成。


 贝尔实验室——创造奇迹的地方

推动半导体的发展和应用,只有理论是不够的,工艺也要跟上。

矿石检波器诞生之后,科学家们就发现,这款检波器的性能,和矿石纯度有极大的关系。矿石纯度越高,检波器的性能就越好。

因此,很多科学家们进行了矿石材料(例如硫化铅、硫化铜、氧化铜等)的提纯研究,提纯工艺不断精进。

在这里,我就要提到人类历史上最伟大的实验室——贝尔实验室

上篇中,我介绍过,美国AT&T公司为了建设长途电话网,收购了德·福雷斯特的三极管专利。

后来,因为认识到电子管这类基础研究的价值,AT&T在1925年收购了西方电气(Western Electric)的研究部门,并在此基础上,专门成立了“贝尔实验室”。

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贝尔实验室大楼(1925年)

20世纪30年代,贝尔实验室的科学家罗素·奥尔(Russell Shoemaker Ohl)提出,使用提纯晶体材料制作的检波器,将会完全取代电子二级管。(要知道,当时电子管处于[敏感词]的市场统治地位。)

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罗素·奥尔,他还是现代太阳能电池之父

经过对100多种材料的逐一测试,他认为,硅晶体是制作检波器的最理想材料。为了验证自己的结论,他在同事杰克·斯卡夫(Jack Scaff)的帮助下,提炼出了高纯度的硅晶体熔合体。

因为贝尔实验室不具备硅晶体的切割能力,奥尔将这块熔合体送到珠宝店,切割成不同大小的晶体样品。没想到,其中一块样品,在光照后,一端表现为正极(positive),另一端表现为负极(negative),奥尔将其分别命名为P区和N区。就这样,奥尔发明了世界上[敏感词]个半导体PN结(p–n junction)。

奥尔的发现,震惊了贝尔实验室的总监——默文·凯利(Mervin J. Kelly)。

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默文·凯利

默文·凯利是半导体发展史上的一个重要人物。1917年,他就加入了AT&T,从事电子管的研究。30年代末,电子管研究逐渐进入瓶颈。默文·凯利发现,半导体晶体材料,才是未来的发展方向。

影响默文·凯利的,并不仅仅是奥尔。

1939年9月,二战爆发。为了合作对抗德国,英国全面加强了和美国的技术合作。其中,英国带来的一项重要合作课题,就是1935年他们发明的雷达技术。

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英国早期的雷达网络,发挥了巨大作用


雷达技术,其实就是无线电技术的一个延伸。雷达性能的好坏,和电子器件有着密切的关系。当时,电子管是行业主流,但它信噪比差、工作不稳定,又容易坏,所以备受军方的嫌弃。

二战期间,AT&T旗下的西方电气公司,基于提纯的半导体晶体,制造了一批硅晶体二极管。这些二极管体积小巧、故障率低,大大改善了盟军雷达系统的工作性能和可靠性。

奥尔的PN结发明,以及硅晶体二极管的优异表现,坚定了默文·凯利发展晶体管技术的决心。他暗下决定,要带领贝尔实验室,all in 半导体。

1945年7月,二战临近结束。为了适应战后研究方向的调整,贝尔实验室进行了各个研究部门的改组。

当时,默文·凯利已经是贝尔实验室的执行副总裁。在他的推动下,贝尔实验室成立了3个研究组。其中之一,就是固体物理研究组

默文·凯利的设想,固体物理研究组的成立目的,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”。

说白了,其实就是研制晶体三极管

固体物理研究组的内部,分为半导体和冶金两个小组。担任半导体小组组长的,是来自麻省理工大学的博士,威廉·肖克利(William Shockley)。

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威廉·肖克利

肖克利是一个颇具传奇色彩的人。他1910年2月13日生于英国伦敦,后来考入美国麻省理工学院,学习量子物理。

1936年,肖克利拿到博士学位后,受默文·凯利的专门邀请,加入贝尔实验室,从事固体物理的研究。1939年,肖克利根据莫特-肖特基的整流理论,结合自己的实验结果,提出了非常重要的“场效应”理论

1942年,肖克利曾经短暂离开了贝尔实验室,加入了军队研究所,从事深水炸弹和雷达投弹瞄准器方面的研究工作。

特别值得一提的是,二战后期,肖克利曾经受美国政府的邀请,做了一份关于进攻日本本土的伤亡评估报告。这个报告,极大影响了后来的美国对日战略,也间接影响了美国投放原子弹的决定。

二战结束后,为了表彰肖克利的贡献,美国政府专门给他颁发了“国家功勋奖章”,这是美国平民所能获得的[敏感词]荣誉勋章。后来,带着一身荣誉,肖克利又回到了贝尔实验室。

除了肖克利之外,贝尔实验室的固体物理研究组还有多位大牛,例如半导体专家皮尔逊(G.L.Pearson)、物理化学家吉布尼(R.B.Gibney)、电子线路专家摩尔(H.R.Moore)、理论物理学家约翰·巴丁(J.Bardeen)、实验物理学家沃尔特·布拉顿(Walter H. Brattain)。

对了,这个沃尔特·布拉顿,1902年出生于中国厦门(父母都是美国人),1903年返回美国。

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沃尔特·布拉顿

一直致力于硅和锗晶体提纯工艺的半导体专家罗素·奥尔(前文提到的那个)和高登·蒂尔Gordon Kidd Teal),也支持了固体物理研究组的相关工作。

研究组的早期工作并不顺利。在成立后的一年时间里,他们基于肖克利的理论设想,进行了大量实验,但是没有取得什么成果。

1946年,约翰·巴丁基于肖克利的场效应理论,提出了“表面态”理论,解决了困扰大家许久的问题。

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约翰·巴丁


后来,约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿一路摸索前进(其中过程极为坎坷曲折)。终于,1947年12月23日,他们做成了世界上[敏感词]只半导体三极管放大器。也就是下面这个看上去非常奇怪且简陋的东东:

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世界上[敏感词]个晶体管(基于锗半导体

在实验笔记上,布拉顿按捺住内心的激动,一丝不苟地写道:“电压增益100,功率增益40,电流损失1/2.5……”

皮尔逊、摩尔和肖克利等人,在现场观摩了他们的实验,并分别在布拉顿的笔记上签名,以示认同和证明。

在命名时,巴丁和布拉顿认为,这个装置之所以能够放大信号,是因为它的电阻变换特性,即信号从“低电阻的输入”到“高电阻的输出”。于是,他们将其取名为trans-resistor(转换电阻)。后来,缩写为transistor我国[敏感词]科学家钱学森,将其中文译名定为晶体管

我归纳一下,半导体特性是一种特殊的导电能力(受外界因素)。具有半导体特性的材料,叫半导体材料。硅和锗,是典型且重要的半导体材料。

微观上,按照一定规律排列整齐的物质,叫做晶体。硅晶体就有单晶、多晶、无定型结晶等形态。

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晶体形态决定了能带结构,能带结构决定了电学特性。所以,硅(锗)晶体作为半导体材料,才有这么大的应用价值。

二极管、三极管、四极管,是从功能上进行命名。电子管(真空管)、晶体管(硅晶体管、锗晶体管),是从原理上进行命名。

后来,基于晶体管,电路越做越小,集成在硅这样的半导体材料上(没有了电线),才叫集成电路。集成电路越做越小,电路规模越来越大(大规模集成电路),就变成了现在路人皆知的芯片。

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半导体材料,是现代电子工业的支柱


 肖克利的逆袭

巴丁和布拉顿发明晶体管之后,有一个人的内心五味杂陈。这个人,就是肖克利。

肖克利是小组的领导者,也是重要的理论奠基人。但是,他基本上没有参与巴丁和布拉顿后期关键阶段的研究工作。事实上,他曾一度认为,没有自己的帮助,巴丁和布拉顿不可能取得成功。

被打脸之后,肖克利陷入了一个比较尴尬的局面——他自己认为自己是晶体管发明人之一,应该有权在专利上署名。而其他的绝大多数人,都认为肖克利和这个发明没有太多直接关系,不应该署名。甚至,在后来申请专利时,团队还专门向律师提出了一个特别请求:“一定要把肖克利排除在外。”

为什么会闹得这么不愉快呢?在这里,小枣君必须说明一下,肖克利的奇特性格。

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肖克利

肖克利是一个科学天才。在技术领域,他拥有毋庸置疑的学识和能力。但是,在为人处事和团队管理上,他存在极大的不足。按现在的话说,就是“智商很高,情商很低”。

他恃才傲物,脾气古怪,对待同事和下属非常尖酸刻薄。因此,很多人都对他唯恐避之不及。能够和他保持良好关系的人,寥寥无几。

人际关系这么差,加上确实没参与什么团队工作,肖克利的专利署名诉求自然得不到大家的支持。甚至贝尔实验室的高层,还对肖克利提出了警告,给他带来很大打击。

愤怒之余,肖克利决定:“既然你们不带我玩,那我就自己玩。”

巴丁和布拉顿发明的晶体管,实际上应该叫做点接触式晶体管。从下图中也可以看出,这种设计过于简陋。虽然它实现了放大功能,但结构脆弱,对外界震动敏感,也不易制造,不具备商业应用的能力。

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肖克利看准了这个缺陷,开始闭关研究新的晶体管设计。1948年1月23日,经过一个多月的努力,肖克利提出了一种具有三层结构的新型晶体管模型,并将其名为结式晶体管(Junction Transistor)。这一年的6月26日,肖克利如愿获得了只有自己名字的专利(专利号:US2569347A)。

肖克利的专利一开始是受到广泛质疑的,很多人认为这个模型无法实现。后来,1950年,肖克利的同事兼好友摩根·斯卡帕斯Morgan Sparks)和高登·蒂尔合作,经过一系列尝试,成功使用直拉法制作出了NPN型晶体管实物,才算给肖克利证名。

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手握晶体管的肖克利

这一年的11月,肖克利发表了论述半导体器件原理的著作《半导体中的电子和空穴》,从理论上详细阐述了结型晶体管的原理。

1951年初,结式晶体管的指标全面超过了点接触式晶体管。肖克利在晶体管发明上的贡献,终于得到了贝尔实验室上下的一致认可(至少是技术水平上的认可)。


█ 半导体产业爆发,研究团队散伙

晶体管的诞生,对于人类科技发展拥有极为重要的意义。它拥有电子管的能力,却克服了电子管的缺点。从它诞生的那一刻,就决定了它将实现对电子管的全面取代。

进入50年代,晶体管发展进入了井喷期。晶体提纯技术、光刻技术等全面爆发,可以说是日新月异。

在产业落地方面,AT&T旗下的制造部门西方电气公司很快实现了晶体管的量产。它被广泛应用于电话路由设备、电路振荡器、助听器、电视信号接收器。

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正在生产晶体管的工人

1953年,首批电池式的晶体管收音机投放市场。上市之后,受到人们的热烈欢迎,销售火爆。

1954年,世界上[敏感词]台晶体管计算机TRADIC在美国空军投入使用。其运行功耗不超过100W,体积不超1立方米,相比当年的ENIAC有天壤之别。

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被誉为超级电脑的TRADIC


1954到1956年,全美国共销售了1700万个锗晶体管和1100万个硅晶体管,价值约5500万美元。

值得一提的是,最开始,贝尔实验室是晶体管技术的专利拥有者,也是技术的主要掌握者。后来,因为美国反垄断法的原因,贝尔实验室将半导体专利主动授权给其它厂商。这进一步推动了半导体技术的普及。

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后来不断壮大的晶体管家族

1956年,肖克利、巴丁、布拉顿三人,因发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖。

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三位大佬,名垂青史

事实上,此时,贝尔实验室的晶体管创始团队早已分崩离析。

晶体管研制成功后,因为不爽肖克利的打压,沃尔特·布拉顿申请调换了部门,去了别的研究组。

1951年,约翰·巴丁从贝尔实验室离职,前往伊利诺伊大学,成为一名教授。后来,因为自己在超导领域的贡献,又获得了一次诺贝尔奖。

1952年,高登·蒂尔离开,加入了德州仪器,帮助这家企业成为日后的半导体巨头。

1954年,肖克利在贝尔实验室也待不下去了,跑到加州理工学院教书。再后来,1956年,他来到美国西部加利福尼亚州的山景城,在一个名叫Palo Alto的小城市(后来是硅谷的一部分),成立了“肖克利半导体实验室”,开启了属于自己的新事业。

谁也没想到,若干年后,肖克利的老毛病又犯,逼走了自己的八个徒弟,再次成为孤家寡人。

他的八个徒弟,就是[敏感词]的八叛徒”。“八叛徒”出走后成立的仙童半导体(Fairchild Semiconductor)不仅开创了世界半导体产业的格局,改变了人类历史的走向。关于他们的故事,可以看这里:仙童传奇

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“八叛徒”,芯片产业的八位大神



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