1、世纪回眸：纪念晶体管的发明和由此引出的启发童诗白(清华大学自动化系 北京：100084)0 引 言当人类社会进入 21 世纪的时刻，回顾过去个世纪的重大发明，晶体管应该是其中突出的个。因为它推动了信息革命，带动了产业革命，开辟了亿万个就业岗位，改变了人类社会的工作方式和生活方式，其影响面之广泛，恐非其它发明所能及。然而当有人间起晶体管是什么时候被发明的?是由哪些人发明的?是如何发明的? 能正确回答这些问题的人恐怕不是很多。借此机会，作者不揣浅陋，将过去搜集的有关资料整理出来向各位老师汇报，并陈述几点由此得到的启发。1 激动人心的时刻1947 年 12 月 23 日，那是圣诞夜的前一天，威廉肖克
2、利(William Schoekley，以下简称肖)把车开到离纽约市 20 英里的贝尔实验室(以下简称贝) 。那时天空阴暗，才早晨七点，他匆忙走过空空荡荡的走廊，到达二楼办公室。在那里，他心情激动地等待着他的同事们。因为当天下午他们要向贝尔的领导演示他们的新发明不用电子管的放大器。大约一小时后，约翰巴丁(John Bardeen，以下简称巴) 和瓦尔特布莱顿(Walter Brattain，以下简称布)陆续来到实验室。巴进行了一些简单的计算，布和他的助手再一次检查了那个神秘装置的接线。布望着窗外连绵的细雨，心里嘀咕那是吉祥还是灾难的预兆。午餐后，贝尔的各方面领导来到实验室，其中有固体小组组长肖
3、，肖的上司、声学家Fletcher，贝尔的研究室主任 Bown，此外还有提供锗样品的 Gibney，和巴、布在同一个实验室的 Pearson，负责接线测试的 Moore。展示在他们面前的，除了常规的仪器设备如示波器、信号发生器、变压器、话筒、耳机、电表、转换开关之外，就是被它们围绕着的那个神秘的装置。它是由两边包着金箔的塑料楔形体，由弹簧压在锗半导体表面上所组成，两边的金箔分别接信号的输入端和输出端，锗半导体底部为共同端，示意图见图 1。图 l 晶体管发明时的示意图在简短的介绍之后，布接通电源和信号。从示波器荧光屏上显示的，经放大器前后的波形对比，可以看到信号是显著地被放大丁。布然后对着话筒随
4、意讲一些话，戴着耳机的 Bown 脸上立刻露出惊奇的神情他把耳机传给 Fletcher，后者听了之后不断地摇头惊叹。这激动人的情景，令人回忆起 70 多年前电话的发明者亚历山大贝尔在波士顿住所的阁楼上拿着话筒对他的助手说：“华生先生到这里来，我需要你”的现场。他们似乎预感到，科学发展史中另一个新篇章已经开始了。事后贝尔为肖、巴、布三人照了一张合影，见图 2。图 2 (左起) 巴丁、肖克利、布莱顿 1948 年合影2 漫长而曲折的道路晶体管的发明有一些偶然性，但绝不是出于某个人的灵机一动，一觉醒来就大功告成的。早在 20 世纪 30 年代，从事电话业务的企业就希望能有一种电子器件，希望它具有电子
5、管的功能但却没有电子管中的灯丝，因为加热灯丝不仅消耗能量而且需要加热时间，这就延长了工作时的启动过程；再加上灯丝有其一定的寿命，连续使用一年半载就要更换；此外，灯丝发出的热量有时还需要排除。这些缺点给电子设备的设计者、使用者、维修者带来很多苦恼。对此，军事部门需求解决的迫切性更为强烈。有鉴于此，当时贝尔的实验室主任 Kelly 根据 19 世纪以来关于半导体在光照下能产生电流以及它和金属接触能起到整流和检波作用的现象，认为半导体有希望能取代电子管。为此，要加强对固体物理基础理论的研究。从 1936 年起开始招聘有关的尖端人才，组成研究小组。肖那时和布都是其中的成员，他们共同研究的课题是氧化铜的
6、工作机理。肖想以氧化铜制成三极管，但实验屡次失败。1939 年贝尔的科学家 Ohl 和Scaff 制成两个方向导电性能不同的硅棒，而且用光照射时能产生电流。他们定义一端为 P，另一端为 N。后来 Theuzer 发现，将微量的硼加入溶化的硅中，冷却后即成为 P 型半导体；而将微量的磷加入后，即成为 N 型半导体。当布听到这个消息时，竟认为他们是疯子。1940 年Kelly 召集布和其他一些人观看 Ohl 做的光电效应表演，布看了之后，眼睛睁得大大的，连连摇着头说：“这简直不可思议!”因为他化费多年心血研究出来的成果，其电流值还不到人家的 110。由于第二次世界大战爆发，肖和布都另有任务，他们的
7、研究课题就搁置下来。与此同时，普渡(Purdue) 大学的 Horotz 教授研究小组已提炼出具有相当纯度的锗锭，并认为锗和硅是具有应用前途的半导体。随着欧战将近结束，肖和布又回到贝尔，那时 Kelly 已是贝尔的副经理，他继续推行研究固体物理的方针，于 1945 年成立固体物理研究小组，由肖任组长。肖上任后做的第一件事就是聘用巴和其他一些科学家；第二件事是整理过去有关半导体方面的文献；第三件事是到普渡大学调研，尽可能获取最新信息，然后提出构成一个半导体三极管的设想。那就是将一片金属板复盖在半导体上面，利用金属与半导体之间的电压所产生的电场来控制在半导体中通过的电流，这基本上是结型场效应管的工
8、作原理。不幸的是，布等人进行了多次实验都没有成功。肖于是转而研究其它课题，把这个摊子留给其他人继续干。1946 年巴分析了失败的原因，提出了表面状态理论。即由于半导体的表面晶体有缺陷，它能捕获电子，形成对电场的屏蔽，使场效应无法实现。1947 年的下半年，他们已经采用在金属与半导体之间加入电解质井在它和半导体之间通电以消除表面状态的办法，使半导体的表面电阻能在一定范围内变化，但还存在没有电压增益以及频率响应只能达到 10Hz 等缺点。1947 年 12 月 11 日，同组的物理化学家 Gibney 向他们提供一个 N 型锗片，上面生成了氧化层 (取代电解质)，在氧化层上面又沉淀5 个小金粒 (
9、goldspot)。布在金粒上面打二个小洞，用钨丝穿过小洞和氧化层到达半导体作为一个电极，希望通过改变金粒块和半导体之间的电压能改变电极和半导体之间的电阻(或流过半导体的电流 )。布在做实验时，发现金粒与半导体之间的电阻很小，二者几乎形成短路，即氧化层没有起绝缘的作用。而当布在金粒和钨丝电极加上负电压后，发现没有输出信号。在操作过程中，布不小心将钨丝和金粒短路，将金粒烧毁。12 月 12 日，布分析失败的原因，是由于用水冲洗时将氧化层的氧化膜一起冲走从而造成短路。此时已是周末，到了下周一，12 月 15 日，布决定即使在这种情况下，也值得试一试。他将钨丝电极移到金粒的旁边，加上负电压，而在金粒
10、上加了正电压，突然间，在输出端出现了和输入端变化相反的信号，巴和布立刻意识到一个历史性的新纪元开始了。初步测试的结果是：电压放大倍数为 2，上限频率可达 10000Hz，至此，前面所说的两个缺点都被克服此后的几天，他们把整个实验装置改为如图 1 所示的形式。在 12 月 23 日下午表演时，测得的功率增益为大于 18。布在实验手册中记录了当时的情况，见图 3。如果婴儿的出生时刻以脱离母体的那一瞬间为准，则晶体管的发明时间应该是 1947 年 12 月 15 日，而 12 月 23 日相当于把婴儿抱给父亲看的时间。根据小组成员对这项工作的贡献大小，推举巴和布为发明人。考虑肖在发明前后对晶体管理论
11、的研究成就，肖和巴、布三人共同获得了 1956 年诺贝尔物理学奖。图 3 1947 年 12 月 24 日布莱顿在实验记事本上所记录的当时情况3 发明以后1)那个“神秘装置”表演成功后，要给它起个名字按常规，这个光荣任务由巴和布来承担。他们为此定了几条原则：第一，字节不要过长，以 2 至 3 个为度，第二，最后两个字应该是 er或 or，表示与其它电子元件一致，例如 Resistor；第三，要体现它的性能特点。巴和布冥思苦想了好久，始终没能提出合适的名字。有一天，恰巧以写科学幻想小说出名的作家 Pierce 从他们办公室门口走过，他们急忙把他拦住，说：“你正是我们要找的人并陈述原委之后，Pie
12、rce问：“它的特点是什么?”回答是：“和电子管相仿。 ”又问：“电子管最突出的性能是什么?”回答是：”Transconductance。 ”Pierce 一拍脑袋说：“那么叫它 Transresistor 如何?”他们认为这个主意不错，但字节太长，于是就把它压缩成为 Transistor。在 20 世纪 50 年代我国科学家就按上述三个原则把它译成“晶体管” ，沿用至今。2)晶体管发明后，贝尔并不急于将此消息公开，其原因是：(1) 出于技术储备策略上的需要，预防竞争对手前来摸底，迎头赶上；(2)怕军方知道后，以国防机密为藉口将成果封闭，阻碍了研究工作的进一步开展；(3)在此期间可以进行晶体管
13、应用方面的研究以取得领先的地位但是到了 1948 年初，他们知道普渡大学在晶体管的研究工作将有所突破，怕发明权被人夺走，于是在 1948 年 6 月 30 日召开记者招待会，宣布了这项消息。但媒体对此事的热情并不高，第二天的纽约时报把它深埋在第 46 版。3)晶体管的发明是研究小组送给贝尔的最丰盛的圣诞礼物，有关的人无不欢欣鼓舞，然而有一位却是例外，那就是肖。他自幼即被人称为天才，从不甘居第二，但在这场战役中，他作为一组之长，既没有身先士卒，又没有亲自指挥，没有被列入发明家是理所当然的，这使他的自尊心受到很大的打击。沮丧之余，他又转回来研究晶体管，但不是和大家一起集中精力开发巴和布发明的点接触
14、式晶体管，而是去研究用 PN 结代替点接触，这样做，在工艺上比较容易实现而且性能也比较稳定可靠。然而他却不和巴、布交流，背着大家干。这激怒了巴，他一气之下于 1951 年到伊利诺大学去任教了；在那里，他研究的超导理论于 1972 年又获诺贝尔物理学奖。与此同时，布也悄悄地离开小组到贝尔的其它岗位，而肖提出的场效应管和结型晶体管的研究工作倒也取得很大进展。看到半导体形势大好，他于 1955 年脱离贝尔，1956 年在加州硅谷创建了他自己的“肖克利半导体实验室” ，并从贝尔和其它单位招聘了一些杰出的科学家，想大干一场。但因不善经营等原因，实验室于 1965 年倒闭，他到斯坦福大学去教“量子力学”并
15、研究种族与智力的关系，认为白人就是比黑人优秀以此申请国家科学基金，未获批准。他于 1989 年逝世。巴和布从贝尔分手后，还经常联系，布有时到巴的住所，二人一同去打高尔夫球，重温当年情谊。布于 1987 年逝世，巴于 1991 年逝世。4)鉴于晶体管发明后小组人才不断流失的情况，贝尔放弃了自己开发、生产晶体管的设想，而把这项任务通过出售产品许可证的方式转移给有关企业。首先得到许可的有：RCA、GE 、Philco 、Westinghouse 等 8 家制造电子管的公司，到 1956 年，贝尔已从中收入百万美元，相当于从一开始到 1949 年的全部研究晶体管的经费。在晶体管的应用方面，1953年首
16、先用于助听器；1954 年德州仪器公司(T1)制成硅三极管并用它制成第一批晶体管收音机，售价 4995 美元，不久，这个市场却被日本索尼(Sony，那时是个不知名的小公司)所占有。到了 1958 年至 1959 年，TI 的 Kilby 和仙童(Fairchitd)的 Noyce 都提出了制造集成电路的具体工艺措施，Kilby 还在国际会议上展出他所制造的集成触发器和相移式正弦波振荡器。至此，由巴和布在 1947 年点燃的晶体管星星之火，已开始形成燎原之势。4 几点启发1)从宏观的角度看，晶体管的发明是由客观形势的需要和科学技术的发展这两个主要因素所促成的。古往今来，一项伟大的发明几乎都不是凭
17、某个人的心血来潮、一蹴而就的，而是在前人的基础上，明确方向，经历许多次失败和挫折，但是败而不馁，锲而不舍，再加上一点机遇，最终才取得成功的。晶体管的发明也正符合这一规律。现在有些研究生只希望化最少的精力来获取最多的成果，这样恐怕是难以有重大成就的。2)“机遇垂青于有准备者 ”。巴和布在实验中，由于发生了两个短路事故和改变了电压的极性，从而得到信号反相的现象。这在一般人的眼里会被白白放过，而他们正是因为有多次失败的经验教训和对放大作用的深刻理解，才能抓住这个机遇，取得成功。此外，他们二人均非平庸之辈，巴毕业于普林斯顿大学，获博士学位，是理论物理学家；布毕业于奥里岗大学和明尼苏达大学的研究院。是实
18、验物理学家。他们二人不仅在业务上体现理论与实际的结合，而且在感情上也非常和睦，周末经常一起去打高尔夫球。这些都可以认为是获得机遇前的准备。3)晶体管发源于贝尔也不是偶然的。首先，他们的各层领导都颇具远见深信固体器件要代替电子管，在研究经费方面一贯给以支持；其次，他们善于选拔杰出人才，Kelly 认为他对发明晶体管的贡献是由于找到了肖，肖则认为他的贡献是聘用了巴，而且发明时他并不在场；第三，有一系列调动研究人员积极性的措施，如大方向确定后可以自由选题，领导对具体工作不干涉，并提供良好的图书、资料、实验、加工等条件，定期召开学术报告会和讨论会，每人轮流报告工作的进展，出成果后写出的论文，未参加具体
19、工作的领导不署名等等；第四，建立多种学科体系，网罗各方面的杰出人才，促进跨学科交流，鼓励新学科的发展，有许多发明的理论(如反馈理论、信息论)都是由他们提出的。可惜目前贝尔已不存在。4)一个事业的成功与否，不在于是外行领导内行还是内行领导内行，而在于领导者是否善于听取下属的意见，能否博采众长，制订出合情合理的政策。工作中有了成绩不居功，有了缺点不推卸责任。这些虽属老生常谈，但要切实做到也不容易。肖的悲剧就在于他在业务上是一个天才，所提出的一些理论和设想都基本上是正确的；但他不是一个天才的领导者，他违反了上面所提的原则。当晶体管发明后，他为了贯彻自己的设想逼走了巴和布；在他后来创办的企业里，他以太
20、上皇自居，研究人员的课题都要听他的指挥，他指示电路设计者用肖克利二极管的负阻效应研制放大器；为了显示自己的才能，有些市上可以买到的仪器设备，他都要亲自动手制造；结果是严重挫伤了大家的积极性，人才纷纷外流，企业随之倒闭。这是内行领导内行而失败的典型例子。5)即使是第一流的专家，在新生事物面前也难免保守。越是权威，他的保守思想带来的危害性也越大。布痛斥提出半导体有 P 和 N 两种类型的人是疯子，他的错误所产生的影响倒不大；但当时苏联的某些权威科学家认为“晶体管的性能不稳定，一开窗户电流就会变，岂能用它？这一句话却使苏联的半导体器件和计算机工业至今还处在落后的地位，可见其影响之深远了。6)俗语说：
21、“人过三十五，难有大建树 ”。但是，晶体管发明时，巴、布、肖三人分别是39 岁、45 岁、37 岁，都已超龄，而巴第二次获诺贝尔物理学奖所做的超导研究是在他 48 岁时。因此，年龄不是主要的障碍，只要我们思路正确，刻苦钻研，败而不馁，锲而不舍，善于抓住机遇，就一定会有所成就。上述几点启示愿与各位老师共勉。参 考 文献1 JBardeen，W Brattain：The Transistor，TriodePhysical Review，July 19482 EBraun 盯 d&Mac Donald 广 Revolution ln Miniature”，Cam- bridge UniversityPress，19793 Electronics(杂志)Speciallssue ，April 17，19804 WShockley， “Electronsnd Holes in Semicondactors”，VnnNostrand ，1953
