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電子技術發展的裡程碑——晶體管

談到晶體管，也許很多人會感到很陌生．然而，就是小小的晶體管的發明給電子學帶來了一場革命．這場革命發展之迅速、波及范圍之廣泛，完全超出了人們的想象．

現在晶體管和微型電路幾乎無所不能，無處不在．小到人們日常生活中的助聽器、收音機、錄音機和電視機，大到實驗室儀器、工業生產及國防設備、計算機、機器人、宇宙飛盤等，都離不開晶體管．可以毫不誇張地說，晶體管奠定了現代電子技術的基礎．

可是，晶體管究竟是什麼樣的?它又是怎樣發明出來的?必不可少的一步——電子管的問世1883年，聞名世界的大發明家愛迪生發明了第一只白熾照明燈．電燈的發明，給一直生活在黑暗之中的人們送去了光明和溫暖．就在這個過程中，愛迪生還發現了一個奇特的現象：一塊燒紅的鐵會散發出電子雲．後人稱之為愛迪生效應．1884年的一天，一位叫弗萊明的英國發明家，遠涉重洋，風塵僕僕地來到美國，拜會了他慕名已久的愛迪生．就在這兩位大發明家的會見中，愛迪生再次展示了愛迪生效應．遺憾的是，由於當時技術條件的限制，不論是愛迪生，還是弗萊明，都對這一效應百思不得其解，不知道利用這一效應能做些什麼．

20世紀初，有線電報問世了．這一發明給人們帶來了很多便利．有線電報發出的信號是高頻無線電波，收信台必須進行整流，才能從聽筒中聽出聲音來．當時的整流器結構復雜，功效又差，亟待改進．正在研究高頻整流器的弗萊明靈機一動，他想，如果把愛迪生效應應用在檢波器上，結果會怎樣呢?就這樣，引出了一個新的發明．

1904年弗萊明在真空中加熱的電絲(燈絲)前加了一塊板極，從而發明了第一只電子管．他把這種裝有兩個極的電子管稱為二極管．利用新發明的電子管，可以給電流整流，使電話受話器或其它記錄裝置工作起來．如今，打開一架普通的電子管收音機，我們很容易看到燈絲燒得紅紅的電子管．它是電子設備工作的心髒，是電子工業發展的起點．

弗萊明的二極管是一項嶄新的發明．它在實驗室中工作得非常好．可是，不知為什麼，它在實際用於檢波器上卻很不成功，還不如同時發明的礦石檢波器可靠．因此，對當時無線電的發展沒有產生什麼沖擊．

此後不久，貧困潦倒的美國發明家德福雷斯特，在二極管的燈絲和板極之間巧妙地加了一個柵板，從而發明了第一只真空三極管．這一小小的改動，竟帶來了意想不到的結果．它不僅反應更為靈敏、能夠發出音樂或聲音的振動，而且，集檢波、放大和振蕩三種功能於一體．因此，許多人都將三極管的發明看作電子工業真正的誕生起點．德福雷斯特自己也非常驚喜，認為“我發現了一個看不見的空中帝國”．電子管的問世，推動了無線電電子學的蓬勃發展．到1960年前後，西方國家的無線電工業年產10億只無線電電子管．電子管除應用於電話放大器、海上和空中通訊外，也廣泛滲透到家庭娛樂領域，將新聞、教育節目、文藝和音樂播送到千家萬戶．就連飛機、雷達、火箭的發明和進一步發展，也有電子管的一臂之力．

三條腿的魔術師電子管在電子學研究中曾是得心應手的工具．電子管器件歷時40余年一直在電子技術領域裡占據統治地位．但是，不可否認，電子管十分笨重，能耗大、壽命短、噪聲大，制造工藝也十分復雜．因此，電子管問世不久，人們就在努力尋找新的電子器件．第二次世界大戰中，電子管的缺點更加暴露無遺．在雷達工作頻段上使用的普通的電子管，效果極不穩定．移動式的軍用器械和設備上使用的電子管更加笨拙，易出故障．因此，電子管本身固有的弱點和迫切的戰時需要，都促使許多科研單位和廣大科學家，集中精力，迅速研制成功能取代電子管的固體元器件．

早在30年代，人們已經嘗試著制造固體電子元件．但是，當時人們多數是直接用模仿制造真空三極管的方法來制造固體三極管．因此這些嘗試毫無例外都失敗了．

年6月的一天，在美國貝爾實驗室的一個房間裡，一架樣式很普通的收音機正在播放著輕柔的音樂，許多參觀者在它面前駐足不前．為什麼大家都對這台收音機情有獨鐘呢？原來這是第一架不用電子管，而代之以一種新的固體元件——晶體管的收音機．雖然人們對這架收音機顯露出濃厚的興趣．然而，他們對晶體管本身卻不以為然．美國《紐約先驅論壇報》的記者在報道中寫道：“這一器件還在實驗室階段，工程師們都認為它在電子工業中的革新是有限的．”事實上，晶體管發明以後，在不長的時間內，它的深遠影響便很快地顯示出來．它在電子學領域完成了一場真正的革命．

什麼是晶體管呢？通俗地說，晶體管是半導體做的固體電子元件．像金銀銅鐵等金屬，它們導電性能好，叫做導體．木材、玻璃、陶瓷、雲母等不易導電，叫做絕緣體．導電性能介於導體和絕緣體之間的物質，就叫半導體．晶體管就是用半導體材料制成的．這類材料最常見的便是鍺和硅兩種．

半導體是19世紀末才發現的一種材料．當時人們並沒有發現半導體的價值，也就沒有注重半導體的研究．直到二次大戰中，由於雷達技術的發展，半導體器件——微波礦石檢波器的應用日趨成熟，在軍事上發揮了重要作用，這才引起了人們對半導體的興趣．許多科學家都投入到半導體的深入研究中．經過緊張的研究工作，美國物理學家肖克利、巴丁和布拉頓三人捷足先登，合作發明了晶體管——一種三個支點的半導體固體元件．晶體管被人們稱為“三條腿的魔術師”．它的發明是電子技術史中具有劃時代意義的偉大事件，它開創了一個嶄新的時代——固體電子技術時代．他們三人也因研究半導體及發現晶體管效應而共同獲得1956年最高科學獎——諾貝爾物理獎．

肖克利小組與晶體管美國人威廉·肖克利，1910年2月13日生於倫敦，曾在美國麻省理工學院學習量子物理，1936年得到該校博士學位後，進入久負盛名的貝爾實驗室工作．貝爾實驗室是電話發明人貝爾創立的．在電子、特別在通訊領域是最有名氣的研究所，號稱“研究王國”．早在1936年，當時的研究部主任，後來的貝爾實驗室總裁默文·凱利就對肖克利說過，為了適應通訊不斷增長的需要，將來一定會用電子交換取代電話系統的機械轉換．這段話給肖克利留下了不可磨滅的印象，激起他滿腔熱情，把畢生精力投入到推進電子技術進步的事業中．沃爾特·布拉頓也是美國人，1902年2月10日出生在中國南方美麗的城市廈門，當時他父親受聘在中國任教．布拉頓是實驗專家，1929年獲得明尼蘇達大學的博士學位後，進入貝爾研究所從事真空管研究工作．溫文儒雅的美國人巴丁是一個大學教授的兒子，1908年在美國威斯康星州的麥迪遜出生，相繼於1928年和1929年在威斯康星大學獲得兩個學位．後來又轉入普林斯頓大學攻讀固體物理，1936年獲得博士學位．1945年來到貝爾實驗室工作．默文·凱利是一位頗有遠見的科技管理人員．他從30年代起，就注意尋找和采用新材料及依據新原理工作的電子放大器件．在第二次世界大戰前後，敏銳的科研洞察力促使他果斷地決定加強半導體的基礎研究，以開拓電子技術的新領域．於是，1945年夏天，貝爾實驗室正式決定以固體物理為主要研究方向，並為此制定了一個龐大的研究計劃．發明晶體管就是這個計劃的一個重要組成部分．1946年1月，貝爾實驗室的固體物理研究小組正式成立了．這個小組以肖克利為首，下轄若干小組，其中之一包括布拉頓、巴丁在內的半導體小組．在這個小組中，活躍著理論物理學家、實驗專家、物理化學家、線路專家、冶金專家、工程師等多學科多方面的人才．他們通力合作，既善於汲取前人的有益經驗，又注意借鑒同時代人的研究成果，博采眾家之長．小組內部廣泛開展有益的學術探討．“有新想法，新問題，就召集全組討論，這是習慣”．在這樣良好的學術環境中，大家都充滿熱情，完全沉醉在理論物理領域的研究與探索中．

開始，布拉頓和巴丁在研究晶體管時，采用的是肖克利提出的場效應概念．場效應設想是人們提出的第一個固體放大器的具體方案．根據這一方案，他們仿照真空三極管的原理，試圖用外電場控制半導體內的電子運動．但是事與願違，實驗屢屢失敗．

人們得到的效應比預期的要小得多．人們困惑了，為什麼理論與實際總是矛盾的呢？

問題究竟出在那裡呢？經過多少個不眠之夜的苦苦思索，巴丁又提出了一種新的理論——表面態理論．這一理論認為表面現象可以引起信號放大效應．表面態概念的引入，使人們對半導體的結構和性質的認識前進了一大步．布拉頓等人乘勝追擊，認真細致地進行了一系列實驗．結果，他們意外地發現，當把樣品和參考電極放在電解液裡時，半導體表面內部的電荷層和電勢力發生了改變，這不正是肖克利曾經預言過的場效應嗎?這個發現使大家十分振奮．在極度興奮中，他們加快了研究步伐，利用場效應又反復進行了實驗．誰知，繼續實驗中突然發生了與以前截然不同的效應．這接踵而至的新情況大大出乎實驗者的預料．

人們的思路被打斷了，制作實用器件的原計劃不能不改變了，漸趨明朗的形勢又變得撲朔迷離了．然而肖克利小組並沒有知難而退．他們緊緊循著茫茫迷霧中的一絲光亮，改變思路，繼續探索．經過多次地分析、計算、實驗，1947年12月23日，人們終於得到了盼望已久的“寶貝”．這一天，巴丁和布拉頓把兩根觸絲放在鍺半導體晶片的表面上，當兩根觸絲十分靠近時，放大作用發生了．世界第一只固體放大器——晶體管也隨之誕生了．在這值得慶祝的時刻，布拉頓按捺住內心的激動，仍然一絲不苟地在實驗筆記中寫道：“電壓增益100，功率增益40，電流損失1/2.5……親眼目睹並親耳聽聞音頻的人有吉布尼、摩爾、巴丁、皮爾遜、肖克利、弗萊徹和包文．”在布拉頓的筆記上，皮爾遜、摩爾和肖克利等人分別簽上了日期和他們的名字表示認同．

巴丁和布拉頓實驗成功的這種晶體管，是金屬觸絲和半導體的某一點接觸，故稱點接觸晶體管．這種晶體管對電流、電壓都有放大作用．

晶體管發明之後基於嚴謹的科學態度，貝爾實驗室並沒有立即發表肖克利小組的研究成果．他們認為，還需要時間弄清晶體管的效應，以便編寫論文和申請專利．此後一段時間裡，肖克利等人在極度緊張的狀態中忙碌地工作著．他們心中隱藏著一絲憂慮．如果別人也發明了晶體管並率先公布了，他們的心血就付之東流了．他們的擔心絕非多慮，當時許多科學家都在潛心於這一課題的研究．1948年初，在美國物理學會的一次會議上，柏杜大學的布雷和本澤報告了他們在鍺的點接觸方面所進行的實驗及其發現．當時貝爾實驗室發明晶體管的秘密尚未公開，它的發明人之一——布拉頓此刻就端坐在聽眾席上．布拉頓清楚地意識到布雷等人的實驗距離晶體管的發明就差一小步了．因此，會後布雷與布拉頓聊天時談到他們的實驗時，布拉頓立刻緊張起來．他不敢多開口，只讓對方講話，生怕洩密給對方，支吾幾句就匆匆忙忙地走開了．後來，布雷曾惋惜地說過：“如果把我的電極靠近本澤的電極，我們就會得到晶體管的作用，這是十分明白的．”由此可見，當時科學界的競爭是多麼的激烈！實力雄厚的貝爾實驗室在這場智慧與技能的角逐中，也不過略勝一籌．

晶體管發明半年以後，在1948年6月30日，貝爾實驗室首次在紐約向公眾展示了晶體管．這個偉大的發明使許多專家不勝驚訝．然而，對於它的實用價值，人們大都表示懷疑．當年7月1日的《紐約時報》只以8個句子、201個文字的短訊形式報道了本該震驚世界的這條新聞．在公眾的心目中，晶體管不過是實驗室的珍品而已．估計只能做助聽器之類的小東西，不可能派上什麼大用場．

的確，當時的點接觸晶體管同礦石檢波器一樣，利用觸須接點，很不穩定，噪聲大，頻率低，放大功率小，性能還趕不上電子管，制作又很困難．難怪人們對它無動於衷．然而，物理學家肖克利等人卻堅信晶體管大有前途，它的巨大潛力還沒有被人們所認識．於是，在點接觸式晶體管發明以後，他們仍然不遺余力，繼續研究．又經過一個多月的反復思索

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