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《电子技术史话》
新的曙光——晶体管的发明
佳语奇文   
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得益于第二次世界大战,无线电技术迅猛发展,真空三极管得到了广泛的使用。但是真空三极管的缺点也日益显现,功耗大、寿命短、易碎、可靠性差等问题难以解决,人们亟待一种新的器件来代替真空三极管。

在前面的章节,我们曾经介绍过矿石检波器,在20世纪的第一个十年,半导体器件就已经应用于无线电领域。但是这种矿石检波器只是一种很粗糙的设备,人们虽然发现了半导体的单向导电性,但是并不知道其中的原理。

20世纪30年代,贝尔实验室的科学家试图使用超高频信号用作电话通信,但是当时的真空三极管无法接收这种频率的信号。于是他们回到原来的晶体检波器,发现这种原始的方法反而非常有效。因此贝尔实验室专门组织了研发团队,来研究半导体及金属的导电机制。这个半导体研究小组隶属于固态物理部,组长是威廉·肖特利,成员包括约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿等。

一开始的时候,肖克利十分执着于“场效应晶体管”(当然这后来成为了现代CMOS集成电路的基础,但是这是后话),因为用固态器件代替真空三极管,人们本能的想到用相同的原理来实现,即用电场控制半导体的电导率。但是,反复的实验结果似乎都朝着一个准确的方向——失败。实验没有观察到任何的“调制”,即使最小的变化也看不出。于是团队转而研究半导体的表面性质,来揭示这个失败的原因。

真空三极管和场效应的比较

第一个进展是巴丁的“表面态”理论,用于解释肖克利实验的失败原因。无论半导体晶体有多么纯净,表面总有不能移动的电子,原因是表面有杂质原子,表面的“悬空键”可以捕获自由电子,让他们牢牢禁锢在表面动弹不得。进而布拉顿通过实验证明了这个表面态理论。很快,又有一个偶然的发现。他们把一滴液体滴在接触点上,用这滴液体作为栅极,惊人的事情发生了。这个装置产生了很大的增益,虽然响应非常慢,频率不到10Hz。

显然,液体的离子迁移率还是太低了,为了开发实用的放大器,必须找到一种固体材料代替电解液。接下来的实验采用了GeO2薄膜,在表面上蒸发了一层金电极作为栅极。但是又一个偶然发生了,在测量前布拉顿清洗样品时不小心把氧化物薄膜洗掉了,在锗表面形成了两个电极。结果竟然观察到了频率高达10KHz的电压增益,但是没有功率增益。布拉顿认识到,这是因为栅极太大了,为了提高效率,两个电极需要靠得非常近。巴丁通过计算得到,这个间距应该不大于50μm。

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布拉顿不愧是天才般的实验家,他用了一个巧妙的方法,就像下图的复原装置一样,他在覆盖着金箔的聚苯乙烯的楔子上,用剃须刀沿着顶端划了一条缝。1947年12月24日,平安夜,“晶体管”最终诞生了。反观晶体管的发明历程,每一个关键的节点都充满着偶然,平安夜诞生的这个简陋的装置,就像上帝带给人类的礼物,在未来的70年,改变了整个世界。

世界上第一支晶体管的复制品

肖特利、巴丁和布拉顿三人因为发明了晶体管,获得了1956年的诺贝尔物理学奖。但是早在1951年,巴丁就因与肖特利不和,离开了贝尔实验室到伊利诺伊大学香槟分校任教,转而研究超导问题,并于1972年与库珀、施里弗获得了诺贝尔物理学奖。巴丁也成为唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的人。

威廉·肖特利、约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿

早期的晶体管主要用锗来制造,因为锗具有较低的截止电压,使用锗管的设备能够得到更高的灵敏度。但是锗有两个主要的缺点,一个是锗容易产生“热失控”,另一个是锗管的漏电流比较大,容易产生噪声。因此,肖特利敏锐的意识到,硅将代替锗成为更适合的半导体材料。看出了巨大商机的肖特利,于1955年离开贝尔实验室,来到加州山景城创立了“肖克利实验室股份有限公司”。因为发明了晶体管带来的巨大威望,肖特利的公司聚集了当时非常优秀的八个年轻人。但是肖特利的人品实在是不怎么样,管理公司更是一窍不通。很快,这八个年轻人就受不了了,决定集体辞职出来单干。但是让人想不到的是,这次集体辞职创造了历史,出走的八个人被成为“八叛逆”,创造了有史以来最伟大的一家公司,改变了整个世界的发展进程。也正是由此,圣克拉拉山谷被赋予“硅谷”之名,成为全世界的科技中心。

硅谷

让我们先来记住这“八叛逆”的名字,他们中的每个人日后都成为了硅谷响当当的人物,很多人直到今天仍然被人们所熟知。他们是:罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)、戈登·摩尔(Gordon Moore)、杰·拉斯特(Jay Last)、金·赫尔尼(Jean Hoerni)、维克多·格里尼克(Victor Grinich)、尤金·克雷纳(Eugene Kleiner)、谢尔顿·罗伯茨(Sheldon Roberts)、朱利亚斯·布兰克(Julius Blank)。

+

-完-
我要评论
理性边界 2018-01-25 20:54
大学的时候,电子学的最差,如果当时有这种深入浅出,加入很多故事的科普作为参考书就好了!
佳语奇文 2018-01-17 20:55
喜欢的同学,可以移步作者的个人网站和微信公众号,不定期继续更新中(*^__^*) 个人网站:www.jyqw.xyz 微信公众号:佳语奇文
科普作品
电子技术史话
| 目录  (共12章)
评委点评 评语汇总

图文并茂的一篇科普文章,把电子技术的前世今生都讲了一遍。如果不限制字数,我相信作者可以继续写到现在的量子计算机。作者在使用生活化的语言讲述电子元器件发展的过程中,也讲述了几位对电子学做出杰出贡献的科学家,内容丰富饱满,是一篇不错的科普文章。

2018-01-24 16:15 匿名 ——

作者将电子的技术发明、创新,科学的发现,新技术的应用,创业、产业的发展,代表性人物的关键性贡献等方面内容用十分生动的笔触很有条理地串在一起、融为一体,读来兴趣盎然,不忍释卷,本文是一篇难得的有趣有知有味的科普佳作。更难得的是作为90后的作者,还非常谦虚,可贺更可喜!建议:适当减少溯源性的插述,以使主线更清晰,让读者一口气读下去。插述多了,读者就会走神。也建议多修改,彻底消灭错别字。

2018-01-28 11:42 匿名 ——

很不错的一篇科学史,图文并茂,通俗易懂。

2018-02-05 21:04 匿名 ——

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