晶体管的诞生史

20世纪初，科学家们知道如何通过将尖锐的金属探针与半导体晶体接触来制造两端二极管。这些点接触二极管可以将振荡信号变为稳定信号，并广泛用作晶体无线电接收器中的检测器。到 1920 年代，发明家开始研究使用半导体来放大和切换信号。

一些最早的半导体放大器工作来自东欧。1922-23 年，列宁格勒 Nizhegorod 无线电实验室的俄罗斯工程师 Oleg Losev 发现点接触锌矿 (ZnO) 晶体二极管的一种特殊工作模式支持高达 5 MHz 的信号放大。尽管 Losev 多年来一直在无线电电路中试验这种材料，但他于 1942 年的列宁格勒围城战中死去，无法为他在历史上的地位辩护，所以他的作品基本上不为人知。

奥匈帝国物理学家 Julius E. Lilienfeld 移居美国，并于 1926 年申请了“控制电流的方法和装置”的专利，其中他描述了一种使用硫化铜半导体材料的三电极放大装置。Lilienfeld 被认为发明了电解电容器，但没有证据表明他制造了一个工作放大器。然而，他的专利与后来的场效应晶体管有足够的相似之处，因此拒绝了未来对该结构的专利申请。

德国科学家也为这项早期研究做出了贡献。1934 年在英国剑桥大学工作时，德国电气工程师和发明家 Oskar Heil 申请了一项专利，该专利通过电极上的电容耦合控制半导体中的电流——本质上是场效应晶体管。

1938 年，罗伯特·波尔 (Robert Pohl) 和鲁道夫·赫尔希 (Rudolf Hilsch) 在哥廷根大学用三个电极对溴化钾晶体进行了实验。他们报告了低频（约 1 赫兹）信号的放大。这些研究都没有带来任何应用，但 Heil 因其在高保真扬声器中使用的空气运动变压器而在今天的发烧友圈中被人们铭记。

天才肖克利

由于其可靠性差和功耗大，到 1930 年代后期美国电话电报公司的工程师就知道真空管电路无法满足公司对电话容量快速增长的需求。贝尔实验室的研究主管 Mervin J. Kelly 指派 William Shockley 研究使用半导体技术替代电子管的可能性。

1945 年初，肖克利使用战争期间为雷达探测器开发的改进半导体材料试验了一种场效应放大器，其概念类似于Heil和Lilienfeld的专利，但未能如他所愿地工作。物理学家约翰·巴丁 (John Bardeen) 提出，半导体表面的电子可能会阻止电场渗透到材料中。

在 Shockley 的指导下，Bardeen 与物理学家 Walter Brattain 一起开始研究这些“表面状态”的行为。

Walter Houser Brattain（1902-1987）跟随父母在华盛顿州托纳斯基特附近的一个牧场定居。他在俄勒冈大学获得硕士学位，在明尼苏达大学获得博士学位。Brattain 于 1929 年作为研究物理学家加入贝尔实验室，在那里他被认为是一名熟练的实验家。

理论物理学家约翰·巴丁（John Bardeen，1908-1991 年）出生于威斯康星州麦迪逊市，曾作为神童在学校跳了三年级。他在威斯康星大学获得硕士学位，在普林斯顿大学获得博士学位，在那里他对固态物理学产生了兴趣。

在秘密代号“The Surface State Job”下，他们的项目是美国电话电报公司的研究机构贝尔实验室的一个重要优先事项，旨在寻找体积更小、功率更低的替代品来替代笨重、耗电的真空管。实验室的研究主任 Mervin J. Kelly 认为晶体半导体材料，如锗或硅，可能提供解决方案。为此在1936 年，他从麻省理工学院 (MIT) 招募了 William Shockley 来研究固体。

William Bradford Shockley出生于英国伦敦，父母是美国人，他在加利福尼亚州帕洛阿尔托度过了他的青年时代，那里距离著名的惠普车库仅几码之遥。作为一个早熟的孩子，他“脾气暴躁，被宠坏了，几乎无法控制，这让溺爱他的父母的生活变得悲惨”。他在加州理工学院获得学士学位，在麻省理工学院获得理论物理学博士学位。才华横溢的英特尔公司戈登摩尔评论说，肖克利“可以看到电子”，但Shockley自负且反复无常，因此虽然他得到管理层的支持，但在同行中不太受欢迎。诺贝尔奖获得者Charles Townes更是直言：“他什么都懂，就是不懂人。”

1939 年，肖克利确信他可以找到基于固体材料的解决方案，他写道：“今天我想到，原则上可以使用半导体而不是真空滚来制造放大器。” Brattain 协助 Shockley 对我们今天称之为场效应晶体管 (FET) 的想法进行了实验，但没有取得有用的结果。

但随之而来的第二次世界大战打乱了这项工作，但在1945年肖克利聘请约翰巴丁并请他看看他是否能发现他的设计有什么问题时，它又恢复了。Bardeen 最初得出结论，它应该有效。

FET 是一种使用电场来控制半导体材料中电流流动的器件。肖克利在麻省理工学院时代发表了一篇论文，假设表面附近的电子可以像材料主体中的电子一样自由移动。1946 年 3 月 19 日，巴丁从理论上确定这种说法不成立。他得出结论，该区域的电子必须被捕获，从而产生一种表面状态，从而形成运动障碍。

Bardeen 和 Brattain 在物理学家 Gerald Pearson 和化学家 Robert Gibney 的帮助下，致力于弄清楚他是否正确。到 1947 年初，在实验室实验中，他们证明了屏障的存在。作为他们的经理，肖克利会就如何打破障碍提出建议，但不会参与他们的日常工作。

神奇的11月

11 月 17 日星期一，Gibney建议Brattain在上表面的金属板和锗晶体板背面的触点之间施加电压，以产生垂直于表面的强电场。在电触点接触材料的点滴一滴液态电解质，中和了表面状态，并在结构中产生了可测量的场效应。

按照 Bardeen 的建议，用一个被电解质包围的尖锐金属点探测表面，11 月 21 日，Brattain 制作了一个功能放大器，尽管频率非常低。在肖克利所谓的“魔法月”期间，在黑板和实验室长椅上进行了几周的长时间和狂热的活动，结合处理材料的偶然“意外”和聪明的直觉，利用他们所学的知识，在没有电解质的存在。

Bardeen 计算出减少两个触点之间的距离会增强效果。Brattain 想出了一种巧妙的方法，将金箔粘合到一个塑料楔子上，然后用外科手术精确地用剃须刀片切割尖端，以创建两个由一张纸的宽度分开的接触点。

1947 年 12 月 16 日星期二下午，他们连接了一个弹簧，将这个粗糙的装置牢牢地压在锗表面上。Brattain 发现，如果他把它摆动得恰到好处，“我就有了一个放大倍数为 100 的放大器，清晰到音频范围。”

于是，固态半导体放大器诞生。

Bardeen 和 Brattain 晶体管的元件

他和布拉顿一致认为：“我们应该告诉肖克利我们今天做了什么。”

Bardeen很少在家里讨论他的工作；然而，那天晚上，他对在厨房剥胡萝卜的妻子随口说了一句：“今天有发现。” “那太好了，”她下意识地回答。一段时间后，Jane发现那个东西是晶体管。

值得一提的是，同年年初，德国物理学家赫伯特·马塔雷 (Herbert Mataré) 和他的同事海因里希·韦尔克 (Heinrich Welker) 在研究一种他称之为“干涉”的现象时，在法国巴黎的西屋实验室独立制造了一种基于锗的放大器，其表面有两个点接触点。当他们得知贝尔实验室的公告时，Mataré 和 Welker 为他们自己的设备申请了专利，他们称之为“晶体管”。

晶体管终于诞生

肖克利承认，Bardeen 和 Brattain的消息在其心中激起了矛盾的情绪。“我对团队成功的欣喜与不是发明者之一的挫败感相抵消。” 肖克利说。但是，他同样意识到他们的突破的重要性，并计划于1947 年 12 月 23 日星期二下午为贝尔高管安排了一次放大器演示。

Brattain 对 1947 年 12 月 23 日展示的记录

Brattain 在他的笔记本上用麦克风和耳机记录道，“这个电路实际上已经被讨论过并且......可以在示波器演示中听到和看到。” 可悲的是，没有人记得说了什么，只记得它起作用了。肖克利称其为“绝妙的圣诞礼物”。

圣诞节后的几天内，贝尔实验室的专利代理人开始记录他们的工作并准备公开宣布。由于肖克利的自我驱动和自我推销活动使他成为贝尔实验室最引人注目的代言人，命令下达了要求，在他不在场的情况下，不得给Bardeen 和 Brattain拍照。当时的宣传照片显示他在现场的正面和中心。

1948 年 6 月 30 日在纽约举行的第一次新闻发布会上，一位发言人声称晶体管“可能在电子和电气通信方面具有深远的意义”。纽约时报不为所动，将这个故事降级到“广播新闻”页面——低于肥皂剧赞助商的公告。

Brattain 的同事 John Pierce 被认为是想出这个名字的人。他同时也意识到它是根据跨电阻原理工作的，皮尔斯从称为电阻器的相关电子元件中衍生出晶体管。

AT&T 的设备部门 Western Electric 于 1951 年开始制造点接触晶体管，到 1952 年年中，每月生产 6,000 多个器件，主要用于电话交换系统和助听器。

根据 Brattain 的说法，Shockley 正在推动将他的一些想法纳入他们的专利申请，“演示后不久，Bardeen 和我分别打电话给我们，并告诉我们有时做这项工作的人并没有得到我告诉他，‘哦见鬼，Shockley，这对每个人来说都有足够的荣耀了。” 但他独自离开，在家工作，在某种程度上不再是研究团队的一员了。”

然而基于他对理解半导体物理学的理论贡献和他发明的结型晶体管，肖克利与巴丁和布拉顿一起接受了 1956 年诺贝尔物理学奖，以表彰“半导体研究和晶体管效应的发现”。

由于嫉妒没有更明显地参与晶体管的发明，以及保持他相对于下属的地位的需要，肖克利开始了为期一个月的密集理论活动。他确定点接触晶体管操作不是假设的近表面场效应，而是由于晶体主体中称为 PN 结的完全不同的结构。

由于这项工作，肖克利于 1948 年 1 月 23 日构想出一种截然不同的元件，称为结型晶体管，事实证明它比点接触器件更可靠，也更容易批量生产。在贝尔实验室于 1951 年 7 月 4 日宣布取得进展之前，制造工作晶体管仍然是一项艰巨的挑战。他的版本通过启用新一代强大的计算机成为未来数十年的主要有源电子构建块。

值得一提的是，基于他对理解半导体物理学的理论贡献和他发明的结型晶体管，肖克利与巴Bardeen 和 Brattain一起接受了 1956 年诺贝尔物理学奖，以表彰“半导体研究和晶体管效应的发现”。

而在接下来的发展中，开发了许多不同的制造方法来更快、更便宜和更可靠的晶体管。1954 年的一项重要进展是硅晶体管，首先由贝尔实验室的 Morris Tanenbaum 开发，不久之后由新贵德州仪器公司的化学家 Willis Adcock 领导的团队开发。到 20 世纪 50 年代末，硅已成为业界首选材料，TI 成为主要的半导体供应商。

随后，传奇公告Fairchild在 1958 年推出的双扩散硅台面晶体管取得了巨大的商业成功。瑞士物理学家 Jean Hoerni 的革命性平面工艺解决了威胁公司未来的可靠性问题。Hoerni 的平面技术不仅将晶体管制造从半手工操作转变为大批量自动化生产。它还促进了现代集成电路 (IC) 的发展。

MOSFET的到来

经过几年的发展，Lilienfeld 和 Heil 以及 Shockley 失败的早期实验的想法也终于在 1959 年取得成果。当时韩国电气工程师 Dawon Kahng 为埃及工程师 Martin M. (John) Atalla 在贝尔实验室研究半导体表面工作，并建立了第一个成功的效应晶体管 (FET：field-effect transistor )，由金属（M–栅极）、氧化物（O – 绝缘）和硅（S – 半导体）层组成。这也是后来大家熟知的MOSFET（通常简称为 MOS），让更小、更便宜、功率更低的晶体管成为可能。

Fairchild 和 RCA 于 1964 年推出了商用 MOS 晶体管。但在用 MOS 工艺解决早期制造问题的十年中，计算机系统中的单个晶体管在很大程度上已被 IC 取代。从长远来看，MOS 晶体管被证明是构建高密度 IC（例如微处理器和存储器）的最实用方法。每天制造的数十亿个晶体管中，接近 100% 是 MOS 器件。

与大多数技术发展一样，现代晶体管的发明遵循培根式模式，即从真正国际化的工程师和科学家群体建立的“不断增长的知识库”中逐渐出现，而不是从一个英雄的“发明家”的单独努力中产生。”

编辑：黄飞