世紀回眸：紀念晶體管的發(fā)明和由此引出的啟發(fā)

1、世紀回眸：紀念晶體管的發(fā)明和由此引出的啟發(fā)童詩白（清華大學自動化系 北京100084）摘要 本文是為紀念20世紀在電子技術(shù)方面最偉大的發(fā)明一一晶體管而作。文中回答了晶體 管是在什么時候發(fā)明的，是由哪些人發(fā)明的，它的原始結(jié)構(gòu)是什么樣子等問題，描述了那激動人心 的時刻，回顧了那漫長而曲折的發(fā)明過程，追憶了發(fā)明后的形勢發(fā)展，最后列舉了由此引出的幾點 啟發(fā)。關(guān)鍵詞：晶體管發(fā)明史，晶體管，發(fā)明史一、引言當人類社會進入21世紀的時刻，回顧過去一個世紀的重大發(fā)明，晶體管應該是其中突 出的一個。因為它推動了信息革命，帶動了產(chǎn)業(yè)革命，開辟了億萬個就業(yè)崗位，改變了人類 社會工作方式和生活方式，其影響面之廣泛，恐非

2、其它發(fā)明所能及。然而當有人問起晶體管 是什么時候被發(fā)明的？是由哪些人發(fā)明的？是如何發(fā)明的？能正確回答這些問題的人恐怕 不是很多。借此機會，作者不揣淺陋，將過去的有關(guān)資料整理出來向各位老師匯報，并陳述 幾點由此得到的啟發(fā)。二、激動人心的時刻1947年12月23日，那是圣誕夜的前一天，威廉肖克利（William Schockley以后簡 稱肖）把車開到離紐約市20英里的貝爾實驗室（以后簡稱貝）。那時天空陰暗，才早上7 點，他匆忙走過空空蕩蕩的走廊，到達二樓辦公室。在那里，他心情激動地等待著他的同事 們。因為當天下午他們要向貝的領(lǐng)導演示他們的新發(fā)明一一不用電子管的放大器。大約一小時后，約翰巴丁（ J

3、ohn Bardeen 以后簡稱巴）和瓦爾特布萊頓（Walter Brattain以后簡稱布）陸續(xù)來到實驗室。巴進行了一些簡單的計算，布和他的助手再一次 檢查對那個神秘裝置的接線。布望著窗外連綿的細雨，心里嘀咕那是吉祥還是災難的預兆。午餐后，貝的各方面領(lǐng)導來到實驗室，其中有固體小組組長肖，肖的上司、聲學家 Fletcher，貝的研究室主任Bown，此外還有提供鍺樣品的Gibney，和巴布同一個實驗室的 Pearson，負責接線測試的Moore。展示在他們面前的，除了常規(guī)的儀器設(shè)備如示波器、信號發(fā)生器、變壓器、話筒、耳機、 電表、轉(zhuǎn)換開關(guān)之外，就是被它們圍繞著的那個神秘的裝置。它是由兩邊包著金箔

4、的塑料楔 形體，由彈簧壓在鍺半導體表面上所組成，兩邊的金箔分別接信號的輸入端和輸出端，鍺半 導體底部為共同端，示意圖見圖一。在簡短的介紹之后，布接通電源和信號。從示波器熒光屏上顯示的，經(jīng)放大器前后的波 形對比，可以看到信號是顯著地被放大了。布然后對著話筒隨意講一些話，戴著耳機的Bown 臉上立刻露出驚奇的神情。他把耳機傳給Fletcher，后者聽了之后不斷地搖頭驚嘆。這激 動人心的情景，令人回憶起70多年前電話的發(fā)明者亞歷山大貝爾在波士頓住所的閣樓上拿 著話筒對他的助手說：華生先生到這里來，我需要你。“的現(xiàn)場。他們似乎預感到，科學發(fā) 展史中另一個新篇章已經(jīng)開始了。事后貝為肖巴布三人照一張合影，

5、見圖二。三、漫長而曲折的道路晶體管的發(fā)明有一些偶然性，但絕不是出于某個人的靈機一動，一覺醒來就大功告成。 早在20世紀30年代，從事電話業(yè)務的企業(yè)就希望能有一種電子器件，它具有電子管的功能 但卻沒有電子管的燈絲，因為加熱燈絲不僅消耗能量而且加熱需要時間這就延長了工作時的 啟動過程；再加上燈絲有一定的壽命，連續(xù)使用一年半載就要更換；此外，燈絲發(fā)出的熱量 有時還需要排除。這些缺點給電子管設(shè)備的設(shè)計者、使用者、維修者帶來很多苦惱。對此， 軍事部門需要解決的迫切性更為強烈。有鑒于此，當時貝的實驗室主任Kelly根據(jù)19世紀 以來關(guān)于半導體在光照下能產(chǎn)生電流以及它和金屬接觸能起到整流和檢波的作用現(xiàn)象，認

6、為 半導體有希望能取代電子管。為此，要加強對固體物理基礎(chǔ)理論的研究。從1936年起開始 招聘有關(guān)的尖端人才，組成研究小組。肖那時和布都是其中的成員，他們共同研究的課題是 氧化銅的工作機理。肖想以氧化銅制成三極管，但實驗屢次失敗。1939年貝的科學家Ohl 和Scaff制成兩個方向?qū)щ娦阅懿煌墓璋簦矣霉庹諘r能產(chǎn)生電流。他們定義一端為P 另一端為N。后來Theuzer發(fā)現(xiàn)，將微量的硼加入溶化的硅中，冷卻后即成為P型半導體， 而將微量的磷加入后，即成N型半導體。當布聽到這個消息時，竟認為他們是瘋子。1940 年Kelly召集布和其他一些人觀看Ohl做的光電效應表演，布看了之后，眼睛睜得大大的，

7、 連連搖頭說：“這簡直不可思議”。因為他花費多年心血研究出來的成果，其電流值還不到人 家的1/10。由于第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，肖和布都另有任務，他們的研究課題就擱置下來。 與此同時，普渡（Purdue）大學的Horowitz研究小組已提煉出具有相當純度的鍺錠并認為 鍺和硅是具有應用前途的半導體。隨著歐戰(zhàn)將近結(jié)束，肖和布又回到貝，那時Kelly已是貝 的副經(jīng)理，他繼續(xù)推行研究固體物理的方針，于1945年成立固體物理研究小組，由肖任組 長。肖上任后做的第一件事就是聘用巴和其他一些科學家，第二件事是整理過去有關(guān)半導體 方面的文獻，第三件事是到普渡大學調(diào)研，盡可能獲得最新信息，然后提出構(gòu)成一個半導體 三

8、極管的設(shè)想。那就是將一片金屬覆蓋在半導體上面，利用金屬與半導體之間的電壓所產(chǎn)生 的電場來控制在半導體中通過的電流，這基本上是結(jié)型場效應管的工作原理。不幸的是，布 等人進行了多次實驗都沒有成功。肖于是轉(zhuǎn)而研究其它課題，把這個攤子留給其他人繼續(xù)干。 1946年巴分析了失敗的原因，提出了表面狀態(tài)理論。即由于半導體的表面晶體有缺陷，它 能捕獲電子，形成對電場的屏蔽，使場效應無法實現(xiàn)。1947年的下半年，他們已經(jīng)采用在 金屬與半導體之間加入電解質(zhì)并在它和半導體之間通電以消除表面狀態(tài)的辦法，使半導體的 表面電阻能在一定范圍內(nèi)變化，但還存在沒有電壓增益以及頻率響應只能達到10Hz等缺點。 1947年12月1

9、1日，同組的物理化學家Gibney向他們提供一個N型鍺片，上面生成了氧化 層（取代電解質(zhì)），在氧化層上面又沉淀了 5個小金粒（gold spot）。布在金粒上面打一個 小洞，用鎢絲穿過小洞和氧化層達到半導體作為一個電極，希望通過改變金粒和半導體之間 的電壓能改變電極和半導體之間的電阻（或流過半導體的電流）。布在做實驗時，發(fā)現(xiàn)金粒 與半導體之間的電阻很小，二者幾乎形成短路，即氧化層沒有起絕緣的作用。而當布在金粒 和鎢絲加上負電壓后，發(fā)現(xiàn)沒有輸出信號。在操作過程中，布不小心將鎢絲和金粒短路，將 金粒燒毀。12月12日，布分析失敗的原因，是由于用水沖洗時將氧化層的氧化膜一起沖走， 從而造成短路。此時

10、已是周末，到了下周一，12月15日，布決定即使在這種情況下，也值 得試一試。他將鎢絲電極移到金粒的旁邊，加上負電壓，而在金粒上加了正電壓，突然間， 在輸出端出現(xiàn)和輸入端變化相反的信號，巴和布立刻意識到一個歷史性的新紀元開始了。初 步測試的結(jié)果顯示：電壓放大倍數(shù)為2,上限頻率可達10000Hz，至此，前面所說的兩個缺 點都被克服。此后的幾天，他們把整個實驗裝置改為如圖一所示的形式，在12月23日下午 表演時，測得的功率增益為大于18。布在實驗手冊中記錄了當時的情況，見圖三。如果嬰 兒的出生時刻是以脫離母體那一瞬間為準，則晶體管的發(fā)明時間應該是1947年12月15日，而12月23日相當于把嬰兒抱給

11、父親看的時間。根據(jù)小組成員對這項工作的貢獻大小，推舉 巴和布為發(fā)明人?？紤]肖在發(fā)明前后對晶體管理論的研究成就，他和巴布三人共同獲得1956 年諾貝爾物理學獎。四、發(fā)明以后那個“神秘裝置”表演成功后，要給它起一個名字。按常規(guī)，這個光榮任務由巴和 布來承擔。他們?yōu)榇硕藥讞l原則：第一，字節(jié)不要過長，以23為度；第二，最后兩個 字母應該是er或or，表示與其它電子元件的一致，例如Resistor；第三，要體現(xiàn)它的性 能特點。巴和布冥思苦想了好久，始終沒能提出合適的。有一天，恰巧以寫科學幻想小說 出名的作家Pierce從他們辦公室門口走過，他們急忙把他攔住，說：“你正是我們要找的 人！”陳述原委之后，

12、Pierce問：“它的特點是什么？ ”答：“和電子管相仿”又問：“電 子管最突出的性能是什么？ ”答：“Transconductance”。Pierce 一拍腦袋說：“那么就叫 Transresistor如何？ ”他們認為這個主意不錯，但字節(jié)太長，于是就把它壓縮成為 Transistor。20世紀50年代我國科學家按上述三原則把它譯成晶體管，延用至今。晶體管發(fā)明后，貝并不急于將此消息公開。其原因是：第一，出于技術(shù)儲備策略上 的需要，預防競爭對手前來摸底，迎頭趕上；第二，怕軍方知道后，以國防機密為借口將 成果封閉，阻礙了研究工作的進一步開展；第三，在此期間可以進行晶體管應用方面的研 究以取得領(lǐng)先

13、的地位。但到了 1948年初，他們知道普渡大學在晶體管的研究工作將有所突 破，怕發(fā)明權(quán)被人奪走，于是在1948年6月30日召開記者招待會，宣布了這項消息。但 媒體對此的熱情并不高，第二天的紐約時報把它深埋在第46版。晶體管的發(fā)明是研究小組送給貝的最豐盛的圣誕禮物，有關(guān)的人無不歡欣鼓舞，然 而有一位卻是例外，那就是肖。他自幼即被人稱為天才，從不甘居第二，但在這場戰(zhàn)役， 他作為一組之長，既沒有身先士卒又沒有親自指揮，沒有被列入發(fā)明家是理所當然的，這 使他的自尊心受到很大的打擊。沮喪之余，他又轉(zhuǎn)回來研究晶體管，但不是和大家一起集 中精力開發(fā)巴和布發(fā)明的點接觸式晶體管，而是研究用PN結(jié)代替點接觸，這樣

14、做在工藝上 比較容易實現(xiàn)而且性能比較穩(wěn)定可靠。然而他卻不和巴布交流，背著大家干。這激怒了巴， 他一氣之下于1951年到伊利諾大學任教，在那里，他研究的超導理論于1972年又獲諾貝 爾物理學獎。與此同時，布也悄悄地離開小組到貝的其它崗位，而肖提出的場效應管和結(jié) 型晶體管的研究工作倒也取得很大進展?？吹桨雽w形勢大好，他于1955年脫離貝，1956 年在加州硅谷創(chuàng)建他自己的“肖克利半導體實驗室”并從貝和其它單位招聘一些杰出的科 學家，想大干一場。但因經(jīng)營不善等原因，實驗室于1965年倒閉，他到斯坦福大學教量子 力學并研究種族與智力的關(guān)系，認為白人就是比黑人優(yōu)秀，以此申請國家科學基金未獲批 準。他于

15、1989年逝世。巴和布從貝分手后，還經(jīng)常聯(lián)系，布有時到巴的住所，二人一同打 高爾夫球，重溫當年情誼。巴于1991年逝世，布于1987年逝世。鑒于晶體管發(fā)明后小組人才不斷流失的情況，貝放棄了自己開發(fā)、生產(chǎn)晶體管的設(shè) 想，而把這項任務通過出售產(chǎn)品許可證的方式轉(zhuǎn)移給有關(guān)企業(yè)。首先得到許可證的有：RCA、 GE、Philco、Westinghouse等八家制造電子管的公司，到1956年，貝已從中收入百萬元， 相當于從一開始到1949年全部研究晶體管的經(jīng)費。在應用方面，1953年首先用于助聽器， 1954年德州儀器公司（TI）制成硅三極管并用它制成第一批晶體管收音機，售價49.95美 元，不久這個市場卻

16、被日本的索尼（Sony，那時是一個不知名的小公司）所占有。到了 1958 年至1959年，TI的Kilby和仙童（Fairchild）的Noyce都提出制造集成電路的具體工藝 措施，Kilby還在國際會議上展出他制造的集成觸發(fā)器和相移式正弦波振蕩器。至此，由 巴和布在1947年點燃的晶體管星星之火，已經(jīng)開始形成燎原之勢。五、幾點啟發(fā)從宏觀的角度看，晶體管的發(fā)明是由客觀形勢的需要和科學技術(shù)的發(fā)展兩個主要因 素所促成的。古往今來，一個偉大的發(fā)明幾乎都不是憑某個人的心血來潮、一蹴而就，而 是在前人的基礎(chǔ)上，明確方向，經(jīng)歷許多失敗和挫折，但是敗而不餒，鍥而不舍，再加上 一點機遇，最終才取得成功。晶體管

17、的發(fā)明也正符合上述規(guī)律?，F(xiàn)在有些研究生只希望化 最少的精力來獲取最多的成果，這樣恐怕難以有重大成就。“機遇垂青于有準備者”。巴和布在實驗室中，由于發(fā)生了兩個短路事故和改變了電 壓的極性，從而得到信號反相的現(xiàn)象。這在一般人的眼里會被白白放過，而他們正是因為有 多次失敗的經(jīng)驗教訓和對放大作用的深刻理解，才能抓住這個機遇，取得成功。此外，他們 二人都不是庸碌之輩，巴畢業(yè)于普林斯頓大學，獲得博士學位，是理論物理學家，布畢業(yè)于 奧里崗大學和明尼蘇達大學的研究院，是實驗物理學家。他們二人不僅業(yè)務上體現(xiàn)理論與實 際的結(jié)合，而且在感情上也非常和睦，周末經(jīng)常一起去打高爾夫球。這些都可以認為是獲得 機遇前的準備。

18、晶體管發(fā)源于貝也不是偶然的。首先，他們的各層領(lǐng)導具有遠見，深信固體器件要代 替電子管，在研究經(jīng)費方面一貫給以支持。其次，他們善于選拔杰出人才，Kelly認為他對 發(fā)明晶體管的貢獻是找到肖，肖則認為他的貢獻是聘用了巴，而且發(fā)明時他不在場。第三， 有一系列調(diào)動研究人員積極性的措施，如大方向確定后可以自由選題，具體工作不干涉，提 供良好的圖書、資料、實驗、加工等條件，定期召開學術(shù)報告會和討論會，每人輪流報告工 作進展，出成果后寫出的論文，未參加具體工作的領(lǐng)導不署名等等。第四，建立多種學科體 系，網(wǎng)羅各方面的杰出人才，促進跨學科交流，鼓勵新學科的發(fā)展，有許多發(fā)明和理論（如 反饋理論、信息論）都是由他們

19、首先提出的?？上壳柏愐巡淮嬖?。一個事業(yè)的成功與否，不在于外行領(lǐng)導內(nèi)行還是內(nèi)行領(lǐng)導內(nèi)行，而在于領(lǐng)導者是否善 于聽取下屬的意見，博采眾長，制定出合情合理的政策，工作中有成績不居功，有缺點不推 卸責任。這些雖屬老生常談，但切實做到也不容易。肖的悲劇就在于他在業(yè)務上是個天才， 所提出的一些理論和設(shè)想都基本上是正確的，但他不是一個天才的領(lǐng)導者，他違反了上面所 提的原則。當晶體管發(fā)明后，他為了貫徹自己的設(shè)想逼走了巴和布；在他后來創(chuàng)辦的企業(yè)里， 他以太上皇自居，研究人員的課題都要聽他的指揮；他指示電路設(shè)計者用肖克利二極管的負 阻效應研制放大器；為了顯示自己的才能，有些市上可以買到的儀器設(shè)備，他都要親自動手

20、 制造；結(jié)果是嚴重挫傷了大家的積極性，人才紛紛外流，企業(yè)隨之倒閉。這是內(nèi)行領(lǐng)導內(nèi)行 的失敗例子。即使是第一流的專家，在新生事物面前也難免保守。越是權(quán)威，他的保守思想帶來的 危害也越大。布痛斥提出半導體有PN兩種類型的人是瘋子，他的錯誤所產(chǎn)生的影響倒不大， 但當時蘇聯(lián)的某些權(quán)威科學家認為晶體管的性能不穩(wěn)定，一開窗戶電流就變，豈能用它！這 一句話使他們的半導體器件和計算機工業(yè)至今還處在落后的地位。俗語說：“人過三十五，難有大建樹”但是晶體管發(fā)明時巴、布、肖分別是39、45、 37歲，都已超齡，而巴第二次獲得諾貝爾物理學獎所做的超導研究是在他48歲時。因此年 齡不是主要的障礙，只要我們思路正確，刻苦鉆研，敗而不餒，鍥而不舍，抓住機遇，就一 定會有所成就。愿與各位老師共勉。六、后記本文素材取自作者80年代在電子學教研組教學討論會上的發(fā)言提綱。因為提綱是用鉛筆書 寫，日久字跡模糊，承自64班陳姓、鄭偉、孫德亮、孟虎、周靜、戴佳、楊靜、李煒等同 學代為辨識整理，使作者能完成此文，在此表示衷心感謝。圖一晶體管發(fā)明時的結(jié)構(gòu)示意圖 圖二 巴丁、肖克利、布萊頓1948年合（中間坐者為肖，其左為巴，其右為