晶体管发明往事：误打误撞、反目成仇、共享诺奖

来源：量子位

晶体管是如何工作的？

发明者自己也不清楚……

这真的没开玩笑。

这两天IEEE Spectrum发布一篇文章，关于晶体管诞生始末，其中披露：当年科学家确实仅仅实现电路定向导通效果，就对外公布了成果。

甚至十年过去，相关贡献者已凭此拿下诺贝尔物理奖，圈内研究者仍表示：

由于器件的三维特性，对其内部进行理论分析仍很困难。

更有意思的是，该文章还曝光一段上下级反目的精彩内幕：

两位下属申请专利没带上领导，后者带着愤怒和嫉妒，在短短几个月就发明出全新结构，替代前者成果并主导此后30年的晶体管发展。

这究竟是怎样一段往事？

又如何影响到我们当下生活？

今天不妨结合更多资料，回溯一下。

点接触晶体管到BJT

晶体管诞生前，电子设备广泛使用的是电子管（也称真空管）。

其原理发现始于发明大王爱迪生在1880年一次实验，他给灯泡多放了一个电极，并洒了些箔片，他发现，在灯泡通电情况下，第三极通正电，箔片并无反应，但第三极通负电时，箔片会漂浮起来。

该现象被欧文·理查森总结为：

高温真空环境下，电路阴极会释放电子到阳极，由此产生电流，反向则不会。这当中，真空环境内分子密度小，相撞产生阻力小得多，电子自然更易运动。


△图源：engineering.com

此后的1904年，英国科学家约翰·弗莱明依据上述原理，发明了世界上第一个真空二极管，也称电子管。

进一步，科学家们在阴极阳极之间添加一个栅极，利用同性电荷相斥，改变电子通过栅极流量，能够起到放大作用。由此，三极管诞生。


△ 图源：engineering.com

电子管发明后，被广泛应用于无线电通信、电话、广播、电视、计算机等领域，仅1929年，产业规模就超过10亿美金。人类历史上第一台计算机ENIAC中就使用了17468根电子管。

直到20世纪50年代，绝大部分电子设备仍在使用电子管，此外，如果从其他材料及原理角度发明新产品替代它又充满了风险与不确定性，只有少量技术从业者在该方向探索。

这其中，就包括了美国AT&T贝尔实验室的威廉?肖克利（William Shockley），这个名字可谓耳熟能详，还有其手下约翰?巴丁（John Bardeen）和沃尔特?布拉顿（Walter Brattain）。

他们的新发现确实始于一次偶然。

1947年11月，巴丁和布拉顿在实验中遇到一个奇怪现象：

他们所使用的锗半导体上，电子表面层似乎会阻挡施加的电场，不让其穿透半导体并调节电流。

尽管他们没弄明白其中原理，但到12月，这二位已摸索到一个实现方案：

将两片相隔极小的金箔固定在一个塑料三角上，该部分连着一根弹簧，下方为半导体锗，两片金箔作为两个电极，与半导体材料轻轻接触。

由此，就能实现类似电子管的定向导通效果。


△ 图源：Very-Large-Scale Integration

这是世界上第一枚点接触式晶体管的原型，鉴于晶体管工作依赖于半导体材料特殊的导通性质，半导体时代也由此拉开帷幕。


△图源：haverford.edu

尽管当时科学家们未能清晰完整地将背后原理说清，一些教科书直接忽略了点接触式晶体管介绍，但它的确是史上首个晶体管。

后来，研究者们逐渐揭开其中奥秘。

具体来说，这种晶体管基于拇指大小的N型锗板构建，其上带有过量的负电电子，经处理，表面会有一层薄薄的P层，上面带过量正电荷，底部接地。

与锗板接触两个电极中，一个带不超过1V正电压，另一个带4-40V负电压，当通电后，电子从负电压一极流向正极，电流反向流动。反之，如若施加较大正电压及较小负电压，那整个系统由于同性电荷相斥，将不导通。


△图源：engineerguy

相比电子管，点接触晶体管优势在于耗能低，无需考虑加热电极耗散问题，且无需真空环境，器件使用中不易损坏。

当然，相比今天的芯片，它既笨重也简陋，透着一股廉价观感。


△ 图源：AT&T

但当1948年6月30日，贝尔实验室对外透露了该成果时，它毫无悬念地震动了业界。

很快， AT&T旗下的制造部门Western Electric开始量产这种晶体管，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。


△ 图源：AT&T

新发明迅速被应用到了前沿军事与计算领域。历史上首台晶体管计算机诞生于1954年，是美国空军的机载计算机器Tradic。

其内部大量应用了点触式晶体管，其运行功耗不超过100w，体积不超1立方米，相比占地一整个库房的ENIAC，自然能称得上「SUPER COMPUTER」。


△ 图源：wiki

今天我们很少接触点触式晶体管，因为它刚发明就被迅速替代，这当中，跟晶体管发明者巴丁、布拉顿及上司肖克利一段恩怨有关。

由于在申请接触式晶体管专利中，两位属下没带上老板肖克利，他为此感到不满并带着怨念，不到半年时间，他就设计出了全新结构的双极结型晶体管（BJT）。

BJT原理与点接触式相同，但结构大不一样。它自带两个PN结，向外有发射极、集电极、基极三个极点。

以NPN结构晶体管为例，在发射极和基极之间接一个较小电压，再在基极和集电极之间接一个较大电压，通电后，少量电子填入中间空穴，更多电子会从低压的发射极（E极）向集电极（C极）流动。

这样一来，也就实现了定向放大器功效。


△NPN型 BJT 晶体管 图源：wiki

从结构就能看出，BJT 晶体管结构简单，更稳定可靠。

这种设计迅速取代了原先点接触式晶体管，并占据主导长达30年，其简单的结构又为集成电路诞生奠定了基础。

直到后来CMOS（金属氧化物场效应管）的出现，又是一段后话了。

值得留意的是，BJT结构与JFET场效应管看起来相似，都有三极，但两者原理大有不同。BJT是一种双极晶体管，当中涉及多数和少数两路载流子流动，JFET三极为源极栅极漏极，且是一种单极晶体管。


△典型的独立BJT封装，图源：wiki

晶体管诞生后的发明者们晶体管的发明在人类历史上势必成为标志性事件，1956年的诺贝尔奖颁给了前面所说的三人，让我们重新回顾一下他们的名字：

威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿。

晶体管发明后，布拉顿因与肖克利不和（之前也能看出来），转而进入贝尔实验室另一个小组，基于半导体材料表面特性研究晶体管。

1967年，他离开贝尔实验室，前往惠特曼学院担任兼职教授，撰写过多篇固体物理学文章。

值得补充的是，布拉顿父亲曾前往中国一家私立学校任老师，因而，他的出生地是中国福建省厦门市同安县，1岁随父母返美。

巴丁也因与肖克利无法共事，后前往伊利诺大学香槟分校电机学院和物理学院担任教授，并因超导理论方面的贡献于1972年第二次获得诺贝尔物理学奖。

三人中，肖克利走得更远，其名字也更为人熟知。

1956年，他来到加州旧金山的湾区西南部，创立了与自己同名的「肖克利半导体实验室」，立志将半导体从锗时代带入硅时代。

他手下八位员工们后来成为更具传奇性的人物，其中包括了仙童、英特尔等企业创始人。

从那时起，硅谷乃至整个IT行业的传奇被开启，并延续至今。