首先要指出,晶体管的发明不是哪一位科学家拍脑袋想出来的,而是固体物理学理论指导实践的产物,是科学家长期探索的结果。
早在19世纪中叶,半导体的某些特性就受到科学家们的注意。法拉第观察到硫化银的电阻具有负的温度系数,与金属正好相反。史密斯用光照射在硒的表面,发现硒的电阻变小。1874年,布劳恩第一次在金属和硫化物的接触处观察到整流特性。1876年,亚当斯和戴依发现硒的表面会产生光生电动势。1879年,霍耳发现霍耳效应。对于金属,载流子是带负电的电子,这从金属中的电流方向、所加磁场的方向以及霍耳电势差的正负可以作出判断。可是,也有一些材料显示出正载流子而且其迁移率远大于正离子,这正是某些半导体的特性。可是,所有这些特性——电阻的负温度系数、光电导、整流、光生电动势以及正电荷载流子,都无法做出合理的解释。在19世纪物理学家面前,半导体的各种特性都是一些难解之谜。然而,在没有揭示其导电机理之前,半导体的某些应用却已经开始了,而且应用得还相当广泛。1883年,弗立兹制成了第一个实用的硒整流器。无线电报出现后,天然矿石被广泛用作检波器。1911年,梅里特制成了硅检波器,用于无线电检波。1926年左右,锗也用于制作半导体整流器件。这时,半导体整流器和光电池都已成为商品。人们迫切要求掌握这些器件的机理。
然而,作为微观机制理论基础的量子力学,这时才刚刚诞生。
电子管问世之后,获得了广泛的应用。但是电子管体积大、耗电多、价格昂贵、寿命短、易破碎等缺点,促使人们设法寻找能代替它的新器件。早在1925年前后,已经有人在积极试探有没有可能做成像电子管一样,在电路中起放大作用和振荡作用的固体器件。
人们设想,如果在半导体整流器内“插入”栅极,岂不就能跟三极真空管一样,做成三极半导体管了吗?可是,如何在只有万分之几厘米的表面层内安放栅极呢?1938年,德国的希尔胥和R.W.玻尔在一片溴化钾晶体内成功地安放了一个栅极。可惜,他们的“晶体三极管”工作频率极低,只能对周期长达1秒以上的信号起作用。
在美国贝尔实验室工作的布拉坦(W.H.Brattain)和贝克尔(J.A.Becker)于1939年和1940年也曾多次试探实现固体三极管的可能性,都以失败告终。成功的希望在哪里呢?有远见的人们指望固体物理学给予理论指导。
正好在这期间,量子力学诞生了,A.H.威尔逊在1931年提出了固体导电的量子力学模型,用能带理论能够解释绝缘体、半导体和导体之间的导电性能的差别。接着,他在1932年,又在这一基础上提出杂质(及缺陷)能级的概念,这是认识掺杂半导体导电机理的重大突破。1939年,苏联的达维多夫、英国的莫特、德国的肖特基各自独立地提出了解释金属—半导体接触整流作用的理论。达维多夫首先认识到半导体中少数载流子的作用,而肖特基和莫特提出了著名的“扩散理论”。
至此,晶体管的理论基础已经准备就绪,关键在于如何把理论和实践结合在一起。1945年1月在美国贝尔实验室成立的固体物理研究组出色地做到了这一点。上面提到的布拉坦就是这个组的成员之一。他是实验专家,从1929年起就在贝尔实验室工作。另有一位叫肖克利(B.Shockley),是理论物理学家,1936年进入贝尔实验室。
1945年夏,贝尔实验室决定成立固体物理研究组,其宗旨就是要在固体物理理论的指导下,“寻找物理和化学方法,以控制构成固体的原子和电子的排列和行为,以产生新的有用的性质”。这个组共有7人,组长是肖克利,另外还有半导体专家皮尔逊(G.L.Pearson)、物理化学专家吉布尼(R.B.Gibney)、电子线路专家摩尔(H.R.Moore)。最关键的一位是巴丁(J.Bardeen),他也是理论物理学家,1945年刚来到贝尔实验室,是他提出的半导体表面态和表面能级的概念,把半导体理论又提高了一步,使半导体器件的试制工作得以走上正确的方向。
贝尔实验室的另外几位专家:欧尔和蒂尔等致力于硅和锗的提纯并研究成功生长大单晶锗的工艺,使固体物理研究组有可能利用新的半导体材料进行实验。肖克利根据莫特-肖特基的整流理论,并且在自己的实验结果之基础上,做出了重要的预言。他认为,假如半导体片的厚度与表面空间电荷层厚度相差不多,就有可能用垂直于表面的电场来调制薄膜的电阻率,从而使平行于表面的电流也受到调制。这就是所谓的“场效应”,是以后的场效应管的理论基础。
可是,当人们按照肖克利的理论设想进行实验时,却得不到明显的效果。后来才认识到,除了材料的备制还有缺陷之外,肖克利的场效应理论也还不够成熟。表面态的引入,使固体物理研究组的工作登上了一个新的台阶。他们测量了一系列杂质浓度不同的p型和n型硅的表面接触电势,发现经过不同表面处理或在不同的气氛中,接触电势也不同,还发现当光照射硅的表面时,其接触电势会发生变化。接着,他们准备进一步测量锗、硅的接触电势跟温度的关系。就在为了避免水汽凝结在半导体表面造成的影响,他们把样品和参考电极浸在液体(例如可导电的水)中时意外的情况出现了。他们发现,光生电动势大大增加,改变电压的大小和极性,光生电动势也随之改变大小和符号。经过讨论,他们认识到,这正是肖克利预言的“场效应”。
巴丁提出了一个新方案。他们用薄薄的一层石蜡封住金属针尖,再把针尖压进已经处理成n型和p型硅的表面,在针尖周围加一滴水,水与硅表面接触。带有蜡层的针同水是绝缘的。
正如他们所预期的那样,加在水和硅之间的电压,会改变从硅流向针尖的电流。这一实验使他们第一次实现了功率放大。后来,他们改用n型锗做实验,效果更好。然而,这样的装置没有实用价值,因为水滴会很快蒸发掉。由于电解液的动作太慢,这种装置只能在8赫以下的频率才能有效地工作。
他们发现,在电解液下面的锗表面会形成氧化膜,如果在氧化膜上蒸镀一个金点作为电极,有可能达到同样的目的,然而,这一方案实现起来也有困难。
最后,他们决定在锗表面安置两个靠得非常近的触点,近到大约5×10-3厘米的样子,而最细的导线直径都有10×10-3厘米。实验能手布拉坦想出一条妙计。他剪了一片三角形塑料片,并在其狭窄而平坦的侧面上牢固地粘上金箔,然后用刀片从三角形塑料片的顶端把金箔割成两半。再用弹簧加压的办法,把塑料片和金箔一起压在锗片上。于是,他做成了世界上第一只能用于音频的固体放大器。他们命名为晶体管(transistor)。这一天是1947年12月23日。接触型晶体管诞生了。
接着,肖克利又想出了一个方案。他把n型半导体夹在两层p型半导体之间。1950年4月他们根据这一方案做成了结型晶体管。
亲爱的朋友们,以上讲了晶体管的发明经过,从这段史实中,你能否指出,是谁发明了晶体管?谁又是最主要的发明者?是巴丁?是肖克利?还是布拉坦?应该说,他们都是。功劳应归于他们这个集体,他们所在的固体物理学小组。晶体管是他们的集体创造。我们不必纠缠于争论谁的功劳大,但至少可以由此得到一条信念:科学是人类集体的事业,是人们以各种方式,包括有形的和无形的,进行协作的产物。