晶体管特性仪原理(晶体管，到底是谁发明的？)

Posted 2023-05-29

篇首语：使人疲惫的不是远方的高山，而是鞋里的一粒沙子。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了晶体管特性仪原理(晶体管，到底是谁发明的？)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

晶体管特性仪原理(晶体管，到底是谁发明的？)

大家新年好，我是小枣君。

春节后的第一篇原创文章，我来填个坑，把年前那篇《什么是电子管（真空管）》（链接）的续集写完，也就是今天这篇——《什么是晶体管》。

在上篇文章中，我给大家提到，电子管虽然能够实现检波和放大，但是存在很多缺点，例如体积大、故障率高、容易损坏（玻璃管子）、发热大、能耗高等等。

正因为有这些缺点，专家们一直在思考，是不是有性能更好、缺点更少的元器件，可以取代电子管，支撑电子产业的长远发展。

想着想着，他们将目光放到了矿石检波器的身上。

█ 矿石检波器——世界上最早的半导体器件

矿石检波器比电子管历史更加悠久。它利用的，是一些天然矿石（金属硫化物）的电流单向导通特性（详见上篇）。

这种特性，其实并不新奇。在很多很多年以前，就已经有人发现了这种特性。

1782年，意大利著名物理学家亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta），经过实验总结，发现固体物质大致可以分为三种：

第一种，像金银铜铁等这样的金属，极易导电，称为导体；

第二种，像木材、玻璃、陶瓷、云母等这样的材料，不易导电，称为绝缘体；

第三种，介于导体和绝缘体之间，会缓慢放电。

第三种材料的奇葩特性，伏特将其命名为“Semiconducting Nature”，也就是“半导体特性”。这是人类历史上第一次出现“半导体”这一称呼。

亚历山德罗·伏特

后来，陆续有多位科学家，有意或无意中，发现了一些半导体特性现象。例如：

1833年，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）发现，硫化银在温度升高时，电阻反而会降低（半导体的热敏特性）。

1839年，法国科学家亚历山大·贝克勒尔（Alexandre Edmond Becquerel）发现，光照可以使某些材料的两端产生电势差（半导体的光伏效应）。

1873年，威勒毕·史密斯（Willoughby Smith）发现，在光线的照射下，硒材料的电导率会增加（半导体的光电导效应）。

……

这些现象，当时没有人能够解释，也没有引起太多关注。

1874年，德国科学家卡尔·布劳恩（Karl Ferdinand Braun）发现了前面所说的天然矿石（金属硫化物）的电流单向导通特性。这是一个巨大的里程碑。

卡尔·布劳恩

可惜的是，布劳恩并没有重视这个发现，反而转去研究阴极射线管（也就是CRT，它是现代显示技术的基础）。

后来，海因里希·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）成功证实了无线电磁波的存在，布劳恩又转回无线电的研究。他与马可尼合作，大幅改进了早期的无线通信系统。两人共同获得了1909年的诺贝尔物理学奖。

1906年，美国工程师格林里夫·惠特勒·皮卡德（Greenleaf Whittier Pickard），基于黄铜矿石晶体，发明了著名的矿石检波器（crystal detector），也被称为“猫胡须检波器”（检波器上有一根探针，很像猫的胡须，因此得名）。

矿石检波器

矿石检波器是人类最早的半导体器件。它的出现，是半导体材料的一次“灵光乍现”。尽管它存在一些缺陷（品控差，工作不稳定，因为矿石纯度不高），但有力推动了无线电通信的发展。基于矿石检波器制造的收音机产品大量普及，极大加强了人类信息的传递。

人们使用着矿石检波器，却始终想不明白它的工作原理。在此后的30余年里，人们反复思考——为什么会有半导体材料？为什么半导体材料可以实现单向导电？

早期的时候，很多人甚至怀疑半导体材料是否真的存在。著名物理学家泡利（Pauli）曾经表示：“人们不应该研究半导体，那是一个肮脏的烂摊子，有谁知道是否有半导体的存在。”

█ 量子力学——半导体的理论基石

1904年，世界上第一个电子管（真空管）诞生，标志着人类进入了电子管时代。电子管的崛起，降低了人们对矿石检波器和半导体技术的关注热情。

后来，随着量子力学的诞生和发展，半导体的理论研究终于有了突破。

1928年，德国物理学家、量子力学创始人之一，马克斯·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck），在应用量子力学研究金属导电问题中，首次提出了固体能带理论。

量子理论之父，普朗克

他认为，在外电场作用下，半导体导电分为“空穴”参与的导电（即P型导电）和电子参与的导电（即N型导电）。半导体的许多奇异特性，都是由“空穴”和电子所共同决定的。（限于篇幅，详细技术原理后续再介绍。）

能带论的出现，第一次从科学角度解释了，为什么固体可以分为绝缘体、导体、半导体。

1931年，英国物理学家查尔斯·威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson）在能带论的基础上，提出半导体的物理模型，奠定了半导体学科的理论基础。

1939年，苏联物理学家А.С.达维多夫（А.С.Давыдов）、英国物理学家内维尔·莫特（Nevill Francis Mott）、德国物理学家华特‧肖特基（Walter Hermann Schottky），纷纷为半导体基础理论添砖加瓦。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”。

基于这些大佬们的贡献，半导体的基础理论大厦，逐渐奠基完成。

█ 贝尔实验室——创造奇迹的地方

推动半导体的发展和应用，只有理论是不够的，工艺也要跟上。

矿石检波器诞生之后，科学家们就发现，这款检波器的性能，和矿石纯度有极大的关系。矿石纯度越高，检波器的性能就越好。

因此，很多科学家们进行了矿石材料（例如硫化铅、硫化铜、氧化铜等）的提纯研究，提纯工艺不断精进。

在这里，我就要提到人类历史上最伟大的实验室——贝尔实验室。

上篇中，我介绍过，美国AT&T公司为了建设长途电话网，收购了德·福雷斯特的三极管专利。

后来，因为认识到电子管这类基础研究的价值，AT&T在1925年收购了西方电气（Western Electric）的研究部门，并在此基础上，专门成立了“贝尔实验室”。

贝尔实验室大楼（1925年）

20世纪30年代，贝尔实验室的科学家罗素·奥尔（Russell Shoemaker Ohl）提出，使用提纯晶体材料制作的检波器，将会完全取代电子二级管。（要知道，当时电子管处于绝对的市场统治地位。）

罗素·奥尔，他还是现代太阳能电池之父

经过对100多种材料的逐一测试，他认为，硅晶体是制作检波器的最理想材料。为了验证自己的结论，他在同事杰克·斯卡夫（Jack Scaff）的帮助下，提炼出了高纯度的硅晶体熔合体。

因为贝尔实验室不具备硅晶体的切割能力，奥尔将这块熔合体送到珠宝店，切割成不同大小的晶体样品。没想到，其中一块样品，在光照后，一端表现为正极（positive），另一端表现为负极（negative），奥尔将其分别命名为P区和N区。就这样，奥尔发明了世界上第一个半导体PN结（p–n junction）。

奥尔的发现，震惊了贝尔实验室的总监——默文·凯利（Mervin J. Kelly）。

默文·凯利

默文·凯利是半导体发展史上的一个重要人物。1917年，他就加入了AT&T，从事电子管的研究。30年代末，电子管研究逐渐进入瓶颈。默文·凯利发现，半导体晶体材料，才是未来的发展方向。

影响默文·凯利的，并不仅仅是奥尔。

1939年9月，二战爆发。为了合作对抗德国，英国全面加强了和美国的技术合作。其中，英国带来的一项重要合作课题，就是1935年他们发明的雷达技术。

英国早期的雷达网络，发挥了巨大作用

雷达技术，其实就是无线电技术的一个延伸。雷达性能的好坏，和电子器件有着密切的关系。当时，电子管是行业主流，但它信噪比差、工作不稳定，又容易坏，所以备受军方的嫌弃。

二战期间，AT&T旗下的西方电气公司，基于提纯的半导体晶体，制造了一批硅晶体二极管。这些二极管体积小巧、故障率低，大大改善了盟军雷达系统的工作性能和可靠性。

奥尔的PN结发明，以及硅晶体二极管的优异表现，坚定了默文·凯利发展晶体管技术的决心。他暗下决定，要带领贝尔实验室，all in 半导体。

1945年7月，二战临近结束。为了适应战后研究方向的调整，贝尔实验室进行了各个研究部门的改组。

当时，默文·凯利已经是贝尔实验室的执行副总裁。在他的推动下，贝尔实验室成立了3个研究组。其中之一，就是固体物理研究组。

按默文·凯利的设想，固体物理研究组的成立目的，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”。

说白了，其实就是研制晶体三极管。

固体物理研究组的内部，分为半导体和冶金两个小组。担任半导体小组组长的，是来自麻省理工大学的博士，威廉·肖克利（William Shockley）。

威廉·肖克利

肖克利是一个颇具传奇色彩的人。他1910年2月13日生于英国伦敦，后来考入美国麻省理工学院，学习量子物理。

1936年，肖克利拿到博士学位后，受默文·凯利的专门邀请，加入贝尔实验室，从事固体物理的研究。1939年，肖克利根据莫特-肖特基的整流理论，结合自己的实验结果，提出了非常重要的“场效应”理论。

1942年，肖克利曾经短暂离开了贝尔实验室，加入了军队研究所，从事深水炸弹和雷达投弹瞄准器方面的研究工作。

特别值得一提的是，二战后期，肖克利曾经受美国政府的邀请，做了一份关于进攻日本本土的伤亡评估报告。这个报告，极大影响了后来的美国对日战略，也间接影响了美国投放原子弹的决定。

二战结束后，为了表彰肖克利的贡献，美国政府专门给他颁发了“国家功勋奖章”，这是美国平民所能获得的最高荣誉勋章。后来，带着一身荣誉，肖克利又回到了贝尔实验室。

除了肖克利之外，贝尔实验室的固体物理研究组还有多位大牛，例如半导体专家皮尔逊（G.L.Pearson）、物理化学家吉布尼（R.B.Gibney）、电子线路专家摩尔（H.R.Moore）、理论物理学家约翰·巴丁（J.Bardeen）、实验物理学家沃尔特·布拉顿（Walter H. Brattain）。

对了，这个沃尔特·布拉顿，1902年出生于中国厦门（父母都是美国人），1903年返回美国。

沃尔特·布拉顿

一直致力于硅和锗晶体提纯工艺的半导体专家罗素·奥尔（前文提到的那个）和高登·蒂尔（Gordon Kidd Teal），也支持了固体物理研究组的相关工作。

研究组的早期工作并不顺利。在成立后的一年时间里，他们基于肖克利的理论设想，进行了大量实验，但是没有取得什么成果。

1946年，约翰·巴丁基于肖克利的场效应理论，提出了“表面态”理论，解决了困扰大家许久的问题。

约翰·巴丁

后来，约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿一路摸索前进（其中过程极为坎坷曲折）。终于，1947年12月23日，他们做成了世界上第一只半导体三极管放大器。也就是下面这个看上去非常奇怪且简陋的东东：

世界上第一个晶体管（基于锗半导体）

在实验笔记上，布拉顿按捺住内心的激动，一丝不苟地写道：“电压增益100，功率增益40，电流损失1/2.5……”

皮尔逊、摩尔和肖克利等人，在现场观摩了他们的实验，并分别在布拉顿的笔记上签名，以示认同和证明。

在命名时，巴丁和布拉顿认为，这个装置之所以能够放大信号，是因为它的电阻变换特性，即信号从“低电阻的输入”到“高电阻的输出”。于是，他们将其取名为trans-resistor（转换电阻）。后来，缩写为transistor。我国著名科学家钱学森，将其中文译名定为晶体管。

我归纳一下，半导体特性是一种特殊的导电能力（受外界因素）。具有半导体特性的材料，叫半导体材料。硅和锗，是典型且重要的半导体材料。

微观上，按照一定规律排列整齐的物质，叫做晶体。硅晶体就有单晶、多晶、无定型结晶等形态。

晶体形态决定了能带结构，能带结构决定了电学特性。所以，硅（锗）晶体作为半导体材料，才有这么大的应用价值。

二极管、三极管、四极管，是从功能上进行命名。电子管（真空管）、晶体管（硅晶体管、锗晶体管），是从原理上进行命名。

后来，基于晶体管，电路越做越小，集成在硅这样的半导体材料上（没有了电线），才叫集成电路。集成电路越做越小，电路规模越来越大（大规模集成电路），就变成了现在路人皆知的芯片。

半导体材料，是现代电子工业的支柱

█ 肖克利的逆袭

巴丁和布拉顿发明晶体管之后，有一个人的内心五味杂陈。这个人，就是肖克利。

肖克利是小组的领导者，也是重要的理论奠基人。但是，他基本上没有参与巴丁和布拉顿后期关键阶段的研究工作。事实上，他曾一度认为，没有自己的帮助，巴丁和布拉顿不可能取得成功。

被打脸之后，肖克利陷入了一个比较尴尬的局面——他自己认为自己是晶体管发明人之一，应该有权在专利上署名。而其他的绝大多数人，都认为肖克利和这个发明没有太多直接关系，不应该署名。甚至，在后来申请专利时，团队还专门向律师提出了一个特别请求：“一定要把肖克利排除在外。”

为什么会闹得这么不愉快呢？在这里，小枣君必须说明一下，肖克利的奇特性格。

肖克利

肖克利是一个科学天才。在技术领域，他拥有毋庸置疑的学识和能力。但是，在为人处事和团队管理上，他存在极大的不足。按现在的话说，就是“智商很高，情商很低”。

他恃才傲物，脾气古怪，对待同事和下属非常尖酸刻薄。因此，很多人都对他唯恐避之不及。能够和他保持良好关系的人，寥寥无几。

人际关系这么差，加上确实没参与什么团队工作，肖克利的专利署名诉求自然得不到大家的支持。甚至贝尔实验室的高层，还对肖克利提出了警告，给他带来很大打击。

愤怒之余，肖克利决定：“既然你们不带我玩，那我就自己玩。”

巴丁和布拉顿发明的晶体管，实际上应该叫做点接触式晶体管。从下图中也可以看出，这种设计过于简陋。虽然它实现了放大功能，但结构脆弱，对外界震动敏感，也不易制造，不具备商业应用的能力。

肖克利看准了这个缺陷，开始闭关研究新的晶体管设计。1948年1月23日，经过一个多月的努力，肖克利提出了一种具有三层结构的新型晶体管模型，并将其名为结式晶体管（Junction Transistor）。这一年的6月26日，肖克利如愿获得了只有自己名字的专利（专利号：US2569347A）。

肖克利的专利一开始是受到广泛质疑的，很多人认为这个模型无法实现。后来，1950年，肖克利的同事兼好友摩根·斯卡帕斯（Morgan Sparks）和高登·蒂尔合作，经过一系列尝试，成功使用直拉法制作出了NPN型晶体管实物，才算给肖克利证名。

手握晶体管的肖克利

这一年的11月，肖克利发表了论述半导体器件原理的著作《半导体中的电子和空穴》，从理论上详细阐述了结型晶体管的原理。

1951年初，结式晶体管的指标全面超过了点接触式晶体管。肖克利在晶体管发明上的贡献，终于得到了贝尔实验室上下的一致认可（至少是技术水平上的认可）。

█ 半导体产业爆发，研究团队散伙

晶体管的诞生，对于人类科技发展拥有极为重要的意义。它拥有电子管的能力，却克服了电子管的缺点。从它诞生的那一刻，就决定了它将实现对电子管的全面取代。

进入50年代，晶体管发展进入了井喷期。晶体提纯技术、光刻技术等全面爆发，可以说是日新月异。

在产业落地方面，AT&T旗下的制造部门西方电气公司很快实现了晶体管的量产。它被广泛应用于电话路由设备、电路振荡器、助听器、电视信号接收器。

正在生产晶体管的工人

1953年，首批电池式的晶体管收音机投放市场。上市之后，受到人们的热烈欢迎，销售火爆。

1954年，世界上第一台晶体管计算机TRADIC在美国空军投入使用。其运行功耗不超过100W，体积不超1立方米，相比当年的ENIAC有天壤之别。

被誉为超级电脑的TRADIC

1954到1956年，全美国共销售了1700万个锗晶体管和1100万个硅晶体管，价值约5500万美元。

值得一提的是，最开始，贝尔实验室是晶体管技术的专利拥有者，也是技术的主要掌握者。后来，因为美国反垄断法的原因，贝尔实验室将半导体专利主动授权给其它厂商。这进一步推动了半导体技术的普及。

后来不断壮大的晶体管家族

1956年，肖克利、巴丁、布拉顿三人，因发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖。

三位大佬，名垂青史

事实上，此时，贝尔实验室的晶体管创始团队早已分崩离析。

晶体管研制成功后，因为不爽肖克利的打压，沃尔特·布拉顿申请调换了部门，去了别的研究组。

1951年，约翰·巴丁从贝尔实验室离职，前往伊利诺伊大学，成为一名教授。后来，因为自己在超导领域的贡献，又获得了一次诺贝尔奖。

1952年，高登·蒂尔离开，加入了德州仪器，帮助这家企业成为日后的半导体巨头。

1954年，肖克利在贝尔实验室也待不下去了，跑到加州理工学院教书。再后来，1956年，他来到美国西部加利福尼亚州的山景城，在一个名叫Palo Alto的小城市（后来是硅谷的一部分），成立了“肖克利半导体实验室”，开启了属于自己的新事业。

谁也没想到，若干年后，肖克利的老毛病又犯，逼走了自己的八个徒弟，再次成为孤家寡人。

他的八个徒弟，也就是著名的“八叛徒”。“八叛徒”出走后成立的仙童半导体（Fairchild Semiconductor），不仅开创了世界半导体产业的格局，还改变了人类历史的走向。（关于他们的故事，可以看这里：仙童传奇）

“八叛徒”，芯片产业的八位大神

好了，以上就是关于晶体管诞生的故事。限于篇幅，这篇文章没有详细介绍晶体管的技术细节，以后再找机会专门介绍吧。

内容比较长，感谢大家的耐心阅读。下期文章，小枣君将给大家讲讲集成电路的诞生，诺伊斯和基尔比的专利大战。敬请关注！

—— 全文完 ——

参考文献：

1、《半导体简史》，机械工业出版社，王齐、范淑琴；

2、《电子技术发展的里程碑——晶体管的发明》，科学24小时；

3、《芯片破壁者：从电子管到晶体管“奇迹”寻踪》，脑极体；

4、《晶体管发明往事：误打误撞，反目成仇，共享诺贝尔奖》，詹士，量子位；

5、《第一块晶体管背后的故事》，中科大胡不归；

6、百度百科、维基百科相关词条。