晶体管发明历程

1晶体管的发明2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。温文儒雅的美国人约翰·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。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。3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。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。但是也没有得到非常理想的确结果.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。41947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。5布拉顿早在1929年就开始在这个实验室工作，长期从事半导体的研究，积累了丰富的经验。他们经过一系列的实验和观察，逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因。布拉顿发现，在锗片的底面接上电极，在另一面插上细针并通上电流，然后让另一根细针尽量靠近它，并通上微弱的电流，这样就会使原来的电流产生很大的变化。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。6晶体管发明半年以后，在1948年6月30日，贝尔实验室首次在纽约向公众展示了晶体管。这个伟大的发明使许多专家不胜惊讶。然而，对于它的实用价值，人们大都表示怀疑。当年7月1日的《纽约时报》只以8个句子、201个文字的短讯形式报道了本该震惊世界的这条新闻。在公众的心目中，晶体管不过是实验室的珍品而已。估计只能做助听器之类的小东西，不可能派上什么大用场。71947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain获得1956年Nobel物理奖8的确，当时的点接触晶体管利用触须接点，很不稳定，噪声大，频率低，放大功率小，性能还赶不上电子管，制作又很困难。难怪人们对它无动于衷。然而，物理学家肖克利等人却坚信晶体管大有前途，它的巨大潜力还没有被人们所认识。于是，在点接触式晶体管发明以后，他们仍然不遗余力，继续研究。又经过一个多月的反复思索,一个念头却在心中越来越明晰了，那就是以往的研究之所以失败，根本原因在于人们不顾一切地盲目模仿真空三极管。这实际上走入了研究的误区。晶体管同电子管产生于完全不同的物理现象，这就暗示晶体管效应有其独特之处。明白了这一点，肖克利当即决定暂时放弃原来追求的场效应晶体管，集中精力实现一种新型晶体管.91948年11月，肖克利构思出一种新型晶体管，其结构像“三明治”夹心面包那样，把N型半导体夹在两层P型半导体之间。这是一个多么富有想象力的设计啊！可惜的是，由于当时技术条件的限制，研究和实验都十分困难。直到1950年，人们才成功地制造出第一个PN结型晶体管。10晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿11Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管12这是一种用以代替真空管的电子信号放大元件，是电子工业的强大引擎，是计算机革命的关键，被媒体和科学界称为“20世纪最重要的发明”。也因此有人说：“没有贝尔实验室，就没有硅谷。”13晶体管之父肖克利1954年，成就了“本世纪最伟大发明”的晶体管之父肖克利，离开贝尔实验室返回故乡寻求发展，他的故乡恰好就在现在的硅谷。14在硅谷嘹望山，肖克利宣布成立半导体实验室。不久，因仰慕晶体管之父的大名，求职信像雪片般飞到肖克利的办公桌上。1956年，以罗伯特·诺依斯（N.Noyce）为首的8位年轻的科学家从美国东部陆续加盟肖克利的实验室。他们的年龄都在30岁以下，学有所成，有获得双博士学位者，有来自大公司的工程师，有著名大学的研究员和教授，都处在创造能力的巅峰。集成电路的发明151927年12月12日，诺伊斯（N.Noyce）生于衣阿华州东南的登马克（Durlington）小镇。诺依斯16大学就读于当地的格林纳尔学院，多才多艺的诺伊斯，他同时学习物理、数学两个专业。他擅长游泳，曾获衣阿华州跳水冠军。业余时间还演奏双簧管，并在当地电台表演广播连续剧。一次寝室晚会，大家要开一个有南太平洋风味的宴会。其中缺一只烤全猪。由于囊中羞涩，诺伊斯和另一名学生被委以重任：到邻近农场偷猪。两人不负重望，搞出一只25磅的猪，英雄般地凯旋，宴会获得极大成功。但第二天早晨情势大变，在衣阿华，偷猪和盗马，在50年前是上绞刑架的罪过。17诺伊斯保住了小命，也逃脱了刑事控告，却无法逃脱学校的处罚。经过一些交易，处罚不重：停学一学期，发配到纽约市公平人寿保险公司做统计工作。臭名昭著的偷猪使诺伊斯脸面丢尽，却也在纽约了解了花花世界。1949年初，回到格林纳尔，他已焕然一新。秋天，22岁的诺伊斯考取了MIT的博士研究生。博士论文是《对绝缘体表面光电现象的研究》。在一次音乐会上，参加演出的诺伊斯与化妆师伊丽莎白一见钟情，1953年一毕业就结了婚。18诺伊斯没有选择大公司，而是去了较小的菲尔科公司。他对物质追求很淡漠，“我唯一的梦想是能同时买两双鞋，因为我是穿着哥几个的旧鞋子长大的。”这一干就是3年。1956年，在华盛顿的技术报告会上，肖克利被他的报告深深打动。“1个月后，肖克利打来电话，说他打算到西海岸开一家公司，要与我商量加入该公司的事宜。”招齐员工后，肖克利下令实验室大量生产晶体管，要把成本降到每只5分钱。然而，肖克利虽然雄心勃勃，但对管理却一窍不通，把实验室的生产指挥得一塌糊涂，全然听不进别人的善意规劝。19年轻人彻底地失望了：一年之中，实验室没有任何拿得出手的产品问世。1957年，8位青年中的7人偷偷聚在一起，瞒着肖克利商量叛逃的办法。想来想去，决定自己创办一家公司。可他们也都不懂生产管理，大家一致同意策反诺依斯，他看起来是唯一有点儿领导才能的人。当8位青年联名递上辞职书的时候，肖克利不由得火冒三丈：你们简直是一群叛徒！“肖克利指着诺依斯的鼻子，怒不可遏。年轻人们面面相觑，但还是义无返顾地离开了他们的“伯乐”。这就是电脑史上人所共知的有关“8大叛徒”的趣谈，不过，肖克利本人后来也改口把他们称为“8个天才的叛逆”。肖克利实验室因主要骨干出走而一蹶不振。最后肖克利只好回到大学教书.20天才八叛逆1957年9月，“八叛逆”手拿《华尔街日报》，按纽约股票栏目挨家挨户寻找合作伙伴，最后圈定了35家公司。211957年10月，地处美国东部的仙童照相器材和设备公司，为“八叛逆”投资了3500美元种子资金，组建起一家以诺依斯为首的仙童（Fairchild）半导体公司，仍在嘹望山租下一间小屋，着手制造一种双扩散基型晶体管，以便用硅来取代传统的锗材料。在诺依斯精心运筹下，“仙童”的业务逐渐有了较大发展，员工增加到100多人。同时，一整套制造硅晶体管的平面处理技术也日趋成熟。科学家赫尔尼(J·A·Hoermi)是众仙童中的佼佼者，他像变魔术一般把硅表面的氧化层挤压到最大限度。诺依斯等人首创的晶体管制造方法也与众不同，他们先在透明材料上绘好晶体管结构，然后用拍照片的办法，把结构显影在硅片表面氧化层上，腐蚀去掉不需要的图形后，再把那些具有半导体性质的微粒扩散到硅片上。22这一套半导体平面处理技术仿佛为仙童们打开了一扇奇妙的大门，他们突然看到了一个广阔的空间：用这种方法既然能做一个晶体管，为什么不能在硅片上集成几十个、几百个、乃至成千上万个呢？1959年1月23日，诺依斯在日记里详细地记录了这一闪光的设想。就在仙童公司诺依斯等人还在大胆设想的时候，晶体管的集成化试验却已在德克萨斯仪器公司悄悄地进行。23几乎在同一时期，美国南部达拉斯市，德克萨斯仪器公司（TI）的青年研究人员基尔比（J.kilby）也想到了类似的技术创意。读中学时，基尔比的父亲期盼他能考上麻省理工学院，成为优秀的电子工程师。考试的结果，成绩一贯优秀的基尔比以3分之差落第，不得已进入伊利诺伊大学就读。基尔比在伊利诺斯大学和威斯康星大学所学专业都是电子工程学，他从英国科学家达默的思想里获得了启发。达默（Dummer）早在1952年就指出，由半导体构成的晶体管，可以把它们组装在一块平板上而去掉之间的连线。24达默（W.A.dummer)在英国的一次会议上讲到电子学的可靠性时说过:随着晶体管的出现和半导体工作的普遍化，现在似乎可以设想在固体板块中的电子设备无需连接的导线。板块本身就包括了绝缘的导电层、整流和放大的材料，通过切割各层面积的办法直接把电学功能连接在一起”。根据这种想法，基尔比在笔记本上画出了设计草图。25集成电路草图基尔比（J.kilby）261958年7月，达拉斯天气炎热，TI公司宣布放一次长假，绝大多数员工兴高采烈离开岗位。基尔比那年35岁，到TI公司任职不足两个月，无权享受休假的乐趣。人去楼空，反而给他提供了思考和试验的机会。基尔比曾在一家小型实验室干了10年，搞过晶体管助听器和其他电子工艺，积累了丰富的实践经验。TI公司目前交给他的任务是把许多单独的晶体管挤进很小的空间，为军方制作一种“微模组件”。27基尔比暗自思忖，别看晶体管较大，其中真正起作用的，只是很小的晶体，尺寸不到百分之一毫米，而无用的支架、管壳却占去多数体积。28基尔比原来设想用硅材料制作电路，但TI公司没有这种合适的硅片，他只得改用锗材料进行实验。终于，他成功地在一块锗片上形成了若干个晶体管、电阻和电容，并用热焊的方法用极细的导线互连起来。世界上第一块“集成”的固体电路就诞生在这块微小的平板上，在不超过4平方毫米的面积上，基尔比大约集成了12个元件，是一种用于无线电设备的“移相振荡器”。1959年2月6日，基尔比向美国专利局申报专利，这种由元件组合的微型固体被叫做“半导体集成电路”29第一个集成电路301958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片获得2000年Nobel物理奖31当基尔比发明集成电路的消息传到硅谷，仙童半导体公司当即召集会议商议对策。诺依斯提出：可以用蒸发沉积金属的方法代替热焊接导线，这是解决元件相互连接的最佳途径，因此，可以用平面处理技术来实现集成电路的大批量生产，仙童公司开始奋起疾追。1959年7月30日，他们采用先进的平面处理技术研制出集成电路，也申请到一项发明专利，题为“半导体器件——导线结构”；时间比基尔比晚了半年。于是，两家公司为争夺集成电路的发明权打起了官司，在整个60年代里相互控告。321959年仙童制造的IC33最后，法庭也只好一分为二，将集成电路的发明专利授予了基尔比，而将关键的内部连接技术专利授予了诺伊斯。两人也就成为集成电路的共同发明人。基尔比拥有第一个专利，但他的设计不够实用；倒是诺