第一支晶体管的制备

晶体管是一种半导体器件，常用作放大器或电控开关，是集成电路的基础，也是现代信息社会的基础。晶体管的出现改变了人类的生产、生活方式，晶体管奠定了现代电子技术的基础。说到晶体管，肯定会提起电子管。1904年弗莱明在真空中加热的电丝(灯丝)前加了一块板极，从而发明了第一只电子管。他把这种装有两个极的电子管称为二极管．利用新发明的电子管，可以给电流整流，使电话受话器或其它记录装置工作起来。然而，它在检波器上实际用时却效果很不尽人意，还不如同时发明的矿石检波器可靠。因此，对当时无线电的发展没有产生什么冲击。美国发明家德福雷斯特，在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从而发明了第一只真空三极管．这一小小的改动，竟带来了意想不到的结果．它不仅反应更为灵敏、能够发出音乐或声音的振动，而且，集检波、放大和振荡三种功能于一体。因此，许多人都将三极管的发明看作电子工业真正的诞生起点。不可否认，电子管的问世推动了无线电子学的发展，但不可否认的是，电子管十分笨重，耗能大、寿命短，其制造工艺复杂。第二次世界大战中，电子管的缺点更加暴漏无遗，处理高频信号的效果不理想，移动式军用设备上使用的电子管不仅笨重，而且极易出现故障。因此，电子管问世不久，由于其本身固有的弱点和战争的迫切需要，促使人们寻找替代电子管的新型电子器件。早在20世纪30年代，人们已经尝试着制造固体电子器件。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。在第二次世界大战爆发前夕，贝尔实验室在寻找比早期使用的方铅矿晶体性能更好的检波材料时，发现掺有某种极微量杂质的锗晶体的性能不仅优于矿石晶体，而且在某些方面比电子管整流器还要好。在第二次世界大战期间，不少实验室在有关硅和锗材料的制造和理论研究方面，也取得了不少成绩，这就为晶体管的发明奠定了基础。为了克服电子管的局限性，第二次世界大战结束后，贝尔实验室加紧了对固体电子器件的基础研究。肖克莱等人决定集中研究硅、锗等半导体材料，探讨用半导体材料制作放大器件的可能性。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（电话的发明人贝尔创立）工作。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。1945年秋天，贝尔实验室成立了以肖克莱为首的半导体研究小组，成员有布拉顿、巴丁等人。肖克利早在1939年就提出“利用半导体而不用真空管的放大器在原则上是可行的”。布拉顿和巴丁在开始研究晶体三极管时，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。然而肖克利小组并没有知难而退，经过长时间思索，巴丁又提出了一种新的理论——表面态理论，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。长期从事半导体的研究的布拉顿，积累了丰富的经验，经过一系列的实验和观察，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。巴丁和布拉顿把两根细金属丝置放在在底面接上电极的半导体锗晶片的表面，其中一根接通电流，使另一根尽量靠近它，并加上微电流，这时，通过锗片的电流突然增大起来。微弱电流少量的变化，会对另外的电流产生很大的影响，这就是“放大”作用。巴丁和布拉顿最初制成的固体器件的放大倍数为50左右。不久之后，他们利用两个靠得很近(相距0.05毫米)的触须接点代替金属丝接点于1947年12月制造出世界上第一支实用半导体器件晶体管，它能把音频信号放大100倍。因为这种晶体管的结构，只是金属丝与半导体晶片的某一“点”接触，故称之为“点接触晶体管”。然而，当时这种晶体管存在着不稳定、噪声大、频率低、放大率小、制作困难等缺点，某些性能还比不上电子管。在“点接触晶体管”诞生之后，肖克利又一次显示了非凡的才能。他认识到过去进展不大的主要原因是一味地模仿真空三极管。肖克利对半导体的性能进行了更深刻地探讨，提出了“空穴”这一崭新的概念，并提出另一个新设想：在半导体的两个P区中间夹一个N区的结构就可以实现晶体管放大作用。肖克利给这种晶体管取名为“结型晶体管”。由于当时技术条件较差，他克服了重重困难，整整花费了一年的时间，1950年第一个“结型晶体管”试制成功。这种晶体管是利用晶体中的电子和空穴的作用原理制成，它是现代晶体管的雏型。“结型晶体管”的出现具有重大意义，它证明半导体的放大作用不是由表面现象引起，而是在半导体内部发生的放大过程中形成的。它克服了“点接触晶体管”的不稳定性，而且噪声低、功率大。肖克利虽然没有直接参与“点接触晶体管”的发明（专利权属于巴丁和布拉顿），但他是半导体组的领导人，而且对导致晶体管发明的理论做出了重大贡献。1956年，肖克利和巴丁、布拉顿一起领受了科学的最高奖——诺贝尔物理奖。