晶体管诞生记

戴吾三

晶体管的发明是20世纪具有划时代意义的创新事件，它的诞生促使电子产业转型，加快自动化和信息化的步伐，刷新了世界的面貌。

晶体管的发明是经典的创新故事，其中有战略眼光和气魄，科学智慧和技巧，专业分工和合作，还有追求卓越的信念和不惧失败的坚韧。

晶体管的孕育

晶体管孕育并诞生于贝尔实验室，这绝非偶然。

从创新环境看，贝尔实验室具备了所需的各种条件。贝尔实验室创建于1925年，由美国电话电报公司（AT&T）电气工程部和西方电气公司电气工程部合并而成。成立之初，它就是美国甚至世界上规模最大的工业实验室，人数约有3600人，其中2000人是技术人员。

1945年7月，第二次世界大战临近结束，时任贝尔实验室副总裁的凯利（M.Kelly）洞察通信技术的发展前景，亲自主持各研究部门的改组，以适应战后的研究方向调整。这次改组中，物理部门成立了三个研究小组，其中一个是固体物理研究小组，由物理学家肖克利（W.Shockley）和化学家摩根（S.Morgan）领导，专门从事固体物理学和固体化学的基础研究。同时，肖克利还负责固体物理组的一个分组，集中研究半导体，其核心成员有物理学家布拉顿（W.Brattain）、皮尔逊（G.Pearson）和物理化学家吉布尼（R.Gibney）。不久，物理学家巴丁（J.Bardeen）也正式加盟该组。

根据分工，皮尔逊对硅晶体和锗晶体的特性进行测试，观察晶格点阵中掺杂物的分布；布拉顿集中研究半导体表面的一些现象，看它们如何受光、电场等影响；肖克利和巴丁则负责实验的理论解释，并及时提出建议。

按照肖克利的安排，巴丁着手研究“场效应”检验。所谓“场效应”，就是当强电场作用于一个薄薄的硅片时，应该在硅片表面出现电荷层，而当时遇到的问题是没有观测到这种现象。鉴于硅元素在检波器中具有良好的特性，故元素周期表中正位于硅元素下方的第ⅣA族稀有元素锗引起了科学家的关注。1941年以后，对锗元素的研究加强，美国科学家积累了丰富的经验，到1945年，硅晶体、锗晶体的提纯工艺已成熟，并且有了很好的元素掺杂方法。利用掺杂方法，能够得到可控制和可重复的电学特性。

经研究后，巴丁设想改用锗晶体来检测场效应。终于，巴丁、布拉顿在锗晶体上观测到肖克利所预言的场效应现象。可是，电子在锗薄膜内部的运动速度要比它们在锗晶体块中缓慢许多，这促使巴丁、布拉顿及同事再进行深入研究。经过一年多的反复。布拉顿的实验取得显著进展。起初借助液氮将样品冷却，用光间歇照射，硅晶体和锗晶体均观测到电子的接触电势，尽管信号微小但有确凿无疑的变化。进一步在室温条件下，也观测到了光引致的效应。

晶体管孕育接近成熟。

点接触晶体管诞生

1947年11月21日，巴丁向布拉顿提出一个新建议：用一根金属的尖端刺到硅片上，形成点接触，同时在其周围注满电解质，通过改变加在电解质上的电压，改变这种点接触下方硅晶体的电阻（即导电性能），由此控制流入到接触点上的电流。巴丁后来回忆，他建议“使用点接触完全是出于便利的考虑”，因为在过去几年中，贝尔实验室点接触相关的工艺及对基础理论的把握均已有相当的进展。

接下来的一周，巴丁和布拉顿就多个设计方案进行试验，如用锗晶体代替硅晶体，用金丝代替钨丝，用漆代替固定接触点的石蜡，并接受同事的建议，用硼酸酯作为电解质。12月初，半导体小组在实验中遇到两大障碍，一是测试装置的电流响应频率低，二是测试装置只能在不超过10赫的超低频范围内工作，这远低于人类的听觉范围，而放大器的输入信号频率要求达到数千赫。

12月8日，巴丁、布拉顿和肖克利一起商讨如何解决所遇到的问题。巴丁建议用耐高反向电压的锗晶体来取代硅晶体。这种锗晶体是一种掺锡的半导体材料。普渡大学物理系的研究小组已经对这种材料做了开拓性的研究，并用于检波器生产。12月15日，巴丁和布拉顿终于克服了摆在他们面前的两大障碍，他们利用耐高压反向电压的锗晶体实现了良好的功放系数，通过清除硼酸酯液滴并使金电极与晶体表面直接接触，获得了良好的响应频率。

巴丁认为在金电极与锗晶体之间的界面上有一种新的、与往常不同的现象发生。该界面上一直存在着绝缘层，当正电压加在那个金电极上时，电场趋向于将存在于锗晶体层下方的空穴全部赶走，但两个界面之间却保持着良好的电接触。

据布拉顿回忆，他与巴丁讨论之后，认为“当务之急就是使分布在锗晶体表面上的两个接触点尽可能靠得近一些。按巴丁的简单推算，两者之间的距离不得超过0.002英寸”。这仅仅相当于一张普通纸的厚度，导线的连接明显有难度，因为再细的导线，其直径至少要达到0.005英寸才能保证连接时的牢度。最后，布拉顿巧妙地采用了一种不用导线而在两个金电极间狭小的空隙中实现目的的方法。他请技师切削了一个小塑料楔，将一条金箔贴于楔的两个边缘，然后小心地用刀片切开塑料楔顶端的金箔，形成一条狭缝，将这个塑料楔置于一根弹簧上，再将塑料楔压到锗晶片上。金箔狭缝两边与锗晶体表面接触，两个点接触之间的间距小于0.002英寸。

在12月16日进行的实验中。布拉顿用导线将新装置同电池相连接，构成工作回路。巴丁与布拉顿在其中一个接触点加上1伏正电压，在另一个接触点加上10伏负电压，此次实验就获得了30%的输出功率，同时电压放大了15倍。在接下来的实验中发现，当输出电压放大系数下降到4时，输出功率的功放系数高达450%，奇迹出现了！

从布拉顿的实验笔记可以看出，晶体管诞生的日期是1947年12月16日。有个流传较广的说法是晶体管诞生于1947年12月23日，其实这是贝尔实验室固体物理组对外宣布和公开演示这项发明的日期。肖克利在1976年的《电子和电器工程师学会电子器件学报》第23卷第7期发表的《通向结晶体管概念的途径》一文中，也明确地写道：“1947年12月16日，在布拉顿笔记上的记载清楚地表明，在这一天，点接触晶体管‘诞生了。”

命名与正式宣布

临近贝尔实验室举行新闻发布会的日期，正式命名这种新型元件遂成为紧迫任务。那时，圈内人士已起了多个名字，如“半导体三极管”“表面态放大器”“晶体三极管”等。不过，这些名字看起来都不能恰如其分地定义这种新型元件。还有人建议用第9个希腊字母命名，将其取名为“iotatron”（微型电子管），以此强调它的尺寸较真空管小得多，但这一建议也未能产生共鸣。

取名的任务最后落到巴丁和布拉顿身上。因为这是他俩发明的，理应拥有这样的权利。两人考虑到命名的重要性非同小可，于是花了相当长时间来讨论各种命名的可能性。据布拉顿回忆：“我们想到了各种可能的组合方案。我们不喜欢用‘tron作为结尾的术语。”他们倾向于能反映当代固体器件最新潮流的命名方法，如将“氧化铜检波器”命名为“变阻器”，将那些具有温度敏感特性的半导体元件命名为“热敏电阻”。

1948年5月的一天，皮尔斯（J.R.Pierce）缓步走入布拉顿的办公室，当时布拉顿正在考虑如何命名。皮尔斯是肖克利在1930年代的老搭档，也是秘密研究固体放大器的半导体组成员。布拉顿见到他连忙招呼，并请他出个主意。皮尔斯是电子工程师，他知道真空管是一种电压驱动装置，工作时由输入电压控制输出电流；点接触放大器则与之相反，工作时是由输入电流控制输出电流。皮尔斯注意到真空管被命名为“trans-con-ductance”，他认为这两种电子线路具有对应特性，或许点接触放大器的名字也可以类似“trans-resistance”。他开始将这些相关的名字进行组合，思索片刻后冷不防地说出了一个新词汇：“transistor”，意为晶体管。布拉顿当即予以肯定。

不过，依据贝尔实验室的惯例，还是指定了一个委员会来负责推荐恰当的名字，这个名字要求最好与这种新型放大器的时代特征对应。5月28日，委员会决定在小组内举行名字征集活动。这些征集来的名字中包括了“微电子管”和“晶体管”。不过人们对这些名称未达成明显的一致意见。因而，会议备忘录中对各种名称的优缺点分别给出解释，请圈内人士就获得提名的6个名字进行投票。结果是。排在候选名单最后一位的“transistor”（晶体管）赢得了多数选票。

1948年6月30日，贝尔实验室举行新闻发布会，实验室主任鲍恩（R.Bown）正式宣布：

我们将这种装置称为T-R-A-N-S-I-S-T-O-R（晶体管）。因为它是一种电阻，即半导体器件。当电流信号从输入端进入，再从输出端输出时，它能够使输入信号放大。当然，如果你愿意的话，它还可以充当真空管放大器，但两者之间存在着本质的差别。在这个装置里，没有真空，没有钨丝，没有玻璃管，它完全是由常温的、固态物质组成的。

结型晶体管问世

距上一次新闻发布会召开3年后，1951年7月4日，贝尔实验室就另一种晶体管的问世举行了新闻发布会。这次发布会的主角是结型晶体管。发言人称这种细长的蜘蛛状、豆粒般大小的元件是“绝对新颖的又一种类晶体管”。

结型晶体管最显著的优点就在于工作时消耗的能量极低，并能够高效率地放大输入信号，其功放系数可达上百万甚至更高，它的性能和稳定性都大大超越了“大哥”——点接触晶体管。

结型晶体管是肖克利设计，由他和同事共同研制成功。肖克利早在1940年就开始构思结型晶体管，其间因军用研发而搁置，1946年恢复研究，1947年一度陷入困境。因错失点接触晶体管的发明，肖克利奋起直追，最终实现了结型晶体管这一重大发明。

为了便于理解肖克利的发明，这里先介绍一下有关PN结的知识。1920年代末，贝尔实验室的奥尔（R.Ohl）致力于无线电研究，并聚焦于硅晶体检测器的研制。1940年，奥尔同冶金学家斯卡夫（J.Scaff）合作，利用熔硅切割出的硅棒进行检测，结果发现存在两种不同的物理特性，由此他们创造了新词“P型”（正极）和“N型”（负极），以表示这两个明显不同的区域。实验发现，当用光束照射时，P型硅晶体会产生正电势，N型硅晶体则形成负电势，在这两种类型半导体间存在的光敏势垒就被称为“PN结”（PN junction）。后来，奥尔和斯卡夫提出的新词“额外电子”和“额外空穴”，也很快成为科学界谈论半导体性能时用的专业术语。

肖克利熟悉奥尔的工作，受PN结的启发。在1948年元旦期间集中对NPN结进行研究。NPN结很像个三明治，夹在中间的P为基极，外面的N端分别为发射极和集电极，工作时要外加电压。肖克利在研究中提出了三个重要假说：其一，当N型区少数载流子（相当于“额外空穴”）注入基极，其数量会随外加正向电压而成指数增加。其二，在集电极上施加反向电压，空穴和电子在PN结界面势垒上相遇，电流会大幅减小。其三，合适的半导体结构和掺入杂质可获得从发射极到集电极的良好传导电流，并可通过外加电压控制其功率增益的大小。1948年1月23日，肖克利在他的笔记中明确写下有关结晶体管的原理。其后不久，肖克利在斯帕克斯（M.Sparks）和蒂尔（G.K.Teal）的协助下试制成功结型晶体管。1948年9月24日，肖克利正式提出专利申请，名称为“半导体放大器”（Semiconductor amplifier），1950年4月4日专利公布。

结型晶体管的优势明显超越点接触晶体管，它可以在0.1伏的电压下工作，工作电流仅需10^-5安，其功率约为10^-6瓦，而点接触晶体管工作时的功耗达到几千分之一瓦。结型晶体管很快取代点接触晶体管，获得广泛的应用，它称得上是微电子领域的重大发明。

从科学史上看，点接触晶体管的发明具有重大意义，然而由于它的结构复杂、性能不稳定、体积较大等缺点，很快被后问世的结型晶体管赶超。结型晶体管可以用同一种半导体材料掺杂质的方法形成N型和P型区，在单晶硅上采用二氧化硅（SiO₂）表面掩膜的方法为日后集成电路的发明奠定了技术条件。因而，美国学者邦迪奥帕迪耶（P.K.Bondyopadhyay）评价说，肖克利的发明“揭开了和平时期自然的最大奥秘，导致结型晶体管的发明和引发了硅技术革命”。他进一步明确指出：“正是结型晶体管这个肖克利在理论上革命性的发明，带来了半导体革命，引发了硅时代。”

功不可没的拉晶机

要制作性能可靠的晶体管，硅或锗的纯度要求非常高，然而肖克利一开始并没有认识到。

1948年初，肖克利把物理化学家蒂尔找来，请他帮助制作硅晶片和锗晶片，因为他在这方面有特殊技能。在任务进行中，蒂尔意识到需要设法提高晶体的纯度，为此他向肖克利及其他小组领导提出研究建议，不料没有被理会。尽管受挫，蒂尔还是不愿放弃。在一个偶然的机会，蒂尔与工程师利特尔（J.Little）相遇，两人一拍即合，很快绘制了一台拉晶机的草图。几天后，他们利用大型卷帘门的驱动装置和感应线圈等制成了拉晶机。借助这台机器，他们在充满氢气的容器中拉出一根细长的锗晶体条。

得到了初步成果，蒂尔和利特尔便获得了经费支持。他们制成了一台新的拉晶机，它高7英尺（1英尺≈3米），边长各为2英尺。由于没有专门的实验室，他们就在拉晶机上装了轮子，便于从实验室的储藏室里将拉晶机推进推出。蒂尔和利特尔的研究大都利用业余时间，不知熬过了多少个不眠之夜，错过了多少节假日，这一“业余活动”最终结成了正果。采用新工艺拉成的单晶体明显比先前的工艺生长的单晶体纯净。为了不断提纯这些单晶体，蒂尔和利特尔将第一次提纯的单晶体再熔化，利用已获得的超纯度晶体来生长新一代晶体，多此重复后，最后晶体达到了超高纯度。最终，蒂尔和利特尔的成果赢得了大家的尊重，被批准建立他们专用的实验室，可以名正言顺地进行生长单晶体的研究。

1950年初，蒂尔和利特尔的单晶生长技术成熟。斯帕克斯在蒂尔的配合下，借助拉晶机成功地实现直接从熔晶中制作PN结。接下来，斯帕克斯和蒂尔采取快速连续两次使用同样的掺杂工艺，制成三明治结构的NPN结单晶体。起初，NPN结晶体管的P型层厚度在0.02～0.03英寸，这样的厚度影响功放系数的提高。在肖克利的鼓励下，斯帕克斯不断试验改进。1951年1月，采取用力搅拌熔融晶体而同时放缓拉制晶体的速度，斯帕克斯成功制成P型层厚度在0.001～0.002英寸的NPN型锗晶体。变薄的P型层又带来了导线焊接的新难题。为此又专门开发了一种极细的金丝与晶体相连接的方法，确保了晶体管导电性能的稳定。

可以说，拉晶机及制造工艺对成功制成结型晶体管功不可没。正如后来的研究者评论：“肖克利无论设计出什么种类的放大器，包括那些富有想象力的面接触放大器，也只能是一些供自己消遣的草图而已。这种情况一直等到制作结型晶体管的工艺最终赶上他那探索性发明的步伐才结束。”

晶体管创新的启示

按照经济学家熊彼特（J.A.Schumpeter）的观点，发明与创新是相区别的两个概念，发明常可以获得专利权，但并不必然导致技术创新。从经济学意义上讲，创新只是在实现新的产品、工艺系统、装置的首次商业交易时才算完成。晶体管从无到有，这是重大发明。若展延更长的链条，即包括晶体管的设计、发明、生产到应用以及材料制备、制造工艺等，这些环节的组合就称为创新。鉴于许多环节以前都不曾有过，因而晶体管可称为“根本性创新”或“原始创新”。

从晶体管的创新能获得什么启示呢？对此，西方学者不乏研究，概言之有重要三点。

立足专业领域，布局原始创新

贝尔实验室1925年成立后，便把研发的目标从电话转移到更广阔的通信领域。公司负责人和科技人员认识到，传统的电子管存在先天缺陷，无论怎么改进也难以承担未来的通信使命。根据当时的科技发展状况和通信技术积累的经验，他们认为，重视固体物理研究，着眼于新兴的半导体材料，可能会有大突破。开始这只是一种意向，要实现，必须要有大量切实的理论和实验研究。而且人员配备、资金投入都必不可少。正是具有战略眼光和气魄，加之雄厚的科研基础，使贝尔实验室与其他电话公司、电气公司的研发机构具有本质区别。贝尔实验室由此成为晶体管的发源地和世界半导体研发的主要中心。

团队配对协作，营造创新环境

半导体研究从带有风险性的攻关课题组开始，在第二次世界大战后发展成为攻坚的团队，实施多学科专业、人才合理配对的组织协作。团队有半导体组与材料冶金组配对；半导体组内有理论物理学家与实验物理学家配对，材料冶金组内有化学家与冶金学家配对；从整体而言，还有基础研究与新产品开发应用的配对。按贝尔实验室首任总裁朱厄特（F.B.Jewett）的说法，将这些配对（coupling）相互“搭焊”（lapweld）起来，让信息双向顺利流通，从而形成一个组织化的攻坚团队。贝尔实验室的团队模式是一种组织创新，后来对美国乃至其他国家的科研机构都有重要影响。

团队及配对之间难免会有差异或矛盾，这就需要在管理上加以沟通和协调，关键是上层要营造出创新环境，激励大家一起向大目标努力。贝尔实验室制定了大学式的研究环境政策，科研人员获得发明专利后的成果都允许在一定范围内的刊物上发表或在学术会议上交流。贝尔实验室的房间设计专门采用了可调节和组合的间壁结构，以便按研究需要调整房间的结构和大小。正是有了如此适于创新的环境，围绕晶体管的创意才层出不穷，成果不断涌现。

产研密切结合，加快成果应用

晶体管发明之后，贝尔实验室并没有因为已达到既定目标而减慢步伐，而是加快研究晶体管在通信和控制系统中的用途，并对单晶材料及制造工艺的研究加大投入，以期实现质优价廉的批量生产，以及进一步向其他方面（集成电路、光通信元器件等）扩展。可以说，没有半导体材料的提纯和生长单晶以及掺入杂质的技术，高性能的晶体管就不可能诞生；没有硅氧化物掩膜、电路图印刷、蚀刻和扩散技术，平面式晶体管和集成电路也不可能实现，微电子技术的发展更无从谈起。为加快晶体管的推广应用，贝尔实验室又开发了导线和引线的热压接合技术、外延生长技术和分子束外延技术等。之后，贝尔实验室研制成功世界上第一台晶体管计算机，而模拟式通信向数字化通信的转向也在此起航。

晶体管的发明是现代科学技术史上的一座丰碑，重温晶体管的创新史，对当今中国的创新不无助益。