晶体管是如何发明的？

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d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。

公元前 624-546 希　腊 哲学家达尔斯(Thales)，发现摩擦琥珀会吸引细线，有如磁石吸引铁块。 1603 英　国 吉伯特(William Gilbert,1603-1640)指出地球为一大磁铁。并以希腊语定义「electron」(电子)一词。 1660 德　国 朱利克( Ott von Guerick,1602-1686)制造摩擦起电机。 1703 荷兰商人从塞伦岛将加热后能产生电的石头带到日本。 1729 英　国 格雷(Gray,-1736)认为物质可分导体与绝缘体。 1732 美　国 富兰克林主张电为一流体说。 1733 法　国 迪非(Deffe, 1698-1739)发现正负电并提出电为二流体说。 1744 荷　兰 莫欣普克(Pieter von Musschenbroek)发明来顿瓶。 1752 美　国 富兰克林(Franklin,1706-1790)用风筝实验，证明雷和摩擦电性质相同，因而发明避雷针。 1753 英　国 约翰(John Canton,1718-1772)发现静感应装置，向皇家协会报告静电感应。 1772 意大利 加凡尼(Galvani,1737-1798)提出带电体间的平方反比定律、介电常数概念。 1775 意大利 伏特设计起电盘。 1779 法　国 库仑提出摩擦定律。 1780 意大利 加凡尼(Galvani,1737-1798)发现两种不同金属相碰会产生，并称为动物电。 1785 法　国 库仑(Columb,1736-1806)发现带电体相互间之静电平方反比定律及磁极间之磁力，是为所谓之库仑定律。 1799 意大利 伏特(Volta,1745-1827)发明电堆及电池。 1800 意大利 伏特在英国皇家协会发表关於伏打电池的论文。 1805 德　国 古鲁特(Teodol Grotous,1785-1822)发表电分解理论。 1820 法　国 安培(Andre Marrie Ampere,1775-1836)发现电流与所生磁场强度定律，并提出右手螺旋定则。 1820 德　国 苏维加(John Shuwaiga,1779-1857)发明检流计。 1820 奥斯特发表(关於电流对磁针作用的实验)。 1820 比奥、萨瓦尔发表关於电磁作用的比奥-萨伐尔定律。 1821 美　国 戴维(Davy,1778-1829)发明电弧灯。 1821 塞贝克发现塞贝克效应。 1821 英　国 法拉第应用水银与磁石发现电磁旋转。 1823 法　国 安培发表有关电流相互作用的数学理论。 1824 法　国 阿雷葛(Arago,1786-1853)制作涡流回转圆盘。 1825 英　国 史达约翰(William Star John,1783-1850)研制成功电磁铁。 1827 德　国 欧姆(Geory Simon Ohm, 1787-1854)发现欧姆定律。 1830 美　国 亨利(Joseph Henry,1797-1878)发现电磁感应及自感等现象。 1831 英　国 法拉第(Farady,1791-1867)发现电磁感应现象。 1832 法　国 必柯锡(Picosi,1808-1835)利用电磁感应现象制成发电机。 1834 德　国 楞次(Hiinli lenz,1804-1865)发现有关电磁感应之楞次定律。 1834 德　国 赫里蒙(Helimon,1801-1874)制成马达。 1836 英　国 丹尼尔(Daniel,1790-1845)发明丹尼尔电池。 1837 美　国 摩斯(Morse,1791-1872)发明有线电信机，并编摩斯电讯码。 1837 美　国 惠斯通、柯克在休士顿与卡姆登之间做有线通讯。 1838 德　国 卡凤(Card Phone,1801-1870)发现地面是良导体，并应用於电讯方面。 1840 英　国 焦耳(Joule,1818-1889)发现焦耳之热定律。 1842 克卜勒提出克卜勒效应。 1843 欧姆发现２倍振荡音、３倍振荡音。 1844 冷次提出金属电阻随温度上升按比例增加。 1855 法　国 雷昂(Leon,1819-1869)发现涡电流。 1858 德　国 布鲁加(Bluca,1801-1868)发明阴极射线。 1860 法　国 普兰第(Wass Tolu Plande,1834-1889)发明铅蓄电池。 1861 德　国 李斯(John Lies, 1834-1874)制造电话机。 1863 赫兹著(音响感觉的理论)。 1864 德　国 麦斯威尔(Maxwell,1831-1879)发表电波理论。 1866 德　国 吉米斯(Weiluna Fone Gemeis,1816-1892)发明自激式直流发电机。 1868 法　国 洛鲁阑氏(Geroluge Luglulanse,1839-1882)发明以锌与碳为电极之锰乾电池。 1874 克鲁斯将放电效应定为"第四状态"。 1874 威廉西蒙斯制成应用电阻的温度计。 1876 戈阑茨坦将真空放电时从负极发出的放射线命名"阴极线"。 1876 美　国 贝尔(Bell,1847-1922)发明磁铁式电话。 1877 美　国 爱迪生(Tomas Edison,1847-1931)发明机械式留声机。 1877 英　国 休斯(Lebedo Huse,1831-1900)制成碳式麦克风。 1881 美　国 爱迪生在纽约建造火力发电厂，开始供应电灯用电。 1883 美　国 爱迪生发现金属的热电子放射。 1884 波尔兹曼从理论上证明史蒂芬、波兹曼定律。 1885 美　国 史达林(William Starlin,1858-1916)改良双压器使其可供应用。 1886 美　国 威斯金豪斯(George Wisgenhouse,1846-1914)使用变压器作交流输配电成功。 1887 德　国 赫兹(Hertz,1857-1894)发现紫外线对放电的影响、经实验确定电波存在。 1889 哈尔瓦克斯发现充电效应。 1891 斯托尼提义用"电子"的名称。 1892 第一座水力直流式发电厂在琵琶湖建造。 1895 马可尼的无线电通讯装置在英国获得专利。 1897 德　国 汤姆生发表阴极线是电子流。 布朗(Phlude Nludo Brown,1850-1918)发明影像管。 1901 无线电电波横渡大西洋。 1904 英　国 佛来铭(Anbrowz Flamin,1849-1945)发明二极真空管。 1907 美　国 胡来德(Le Do Flesdo,1873-1961)发明三极真空管。 1910 美　国 克利基(Lebugdo Crige,1873-)发明钨灯炮。 1910 法　国 克路德(Geolugeo Cludo,1870-1960)发明霓虹灯。 1913 范登.布鲁克研究原子序数与核电荷的关系。 1925 英　国 贝尔度(John Beardo,1888-1966)制成机械式电视机。 1926 布什提出电子几何光学。 1931 威尔逊提出关於半导体电子能极的威尔逊模型。 1932 安德生发现正电子。 查德威克发现中子。 在德国首次制成电子显微镜。 1950 使用"电子学"一词。 电的发明和应用。电的发明使得人类工业社会进入到了一个崭新的时代，促进了冶金技术、化工技术的发明，促进了以重工业为基础的工业的发展，象钢铁工业、冶金工业、化学工业等等，而工业的发展又促进了英国、美国等国家主要城市的发展。美国作为资本主义国家的最后一个发展起来的国家，在1920年就完成了城市化的进程，当时它的城市化水平达到了51.4%。众所周知，城市化水平如果达到了50%，就可以称之为一个城市国家。

---