再谈肖克利小组与晶体管

肖克利小组与晶体管

    美国人威廉·肖克利，1910年 2月13日生于伦敦，曾在美国麻省理工学院学习量子物理，1936年得到该校博士学位后，进入久负盛名的贝尔实验室工作。贝尔实验室是电话发明人贝尔创立的。在电子、特别在通讯领域是有名气的研究所，号称“研究王国”。早在1936年，当时的研究部主任，后来的贝尔实验室总裁默文·凯利就对肖克利说过，为了适应通讯不断增长的需要，将来一定会用电子交换取代电话系统的机械转换。这段话给肖克利留下了不可磨灭的印象，激起他满腔热情，把毕生精力投入到推进电子技术进步的事业中。沃尔特·布拉顿也是美国人，1902年 2月10日出生在中国南方美丽的城市厦门，当时他父亲受聘在中国任教。布拉顿是实验专家，1929年获得明尼苏达大学的博士学位后，进入贝尔研究所从事真空管研究工作。
    温文儒雅的美国人巴丁是一个大学教授的儿子，1908年在美国威斯康星州的麦迪逊出生，相继于1928年和1929年在威斯康星大学获得两个学位。后来又转入普林斯顿大学攻读固体物理，1936年获得博士学位。1945年来到贝尔实验室工作。
    默文·凯利是一位颇有远见的科技管理人员。他从30年代起，就注意寻找和采用新材料及依据新原理工作的电子放大器件。在第二次世界大战前后，敏锐的科研洞察力促使他果断地决定加强半导体的基础研究，以开拓电子技术的新领域。于是，1945年夏天，贝尔实验室正式决定以固体物理为主要研究方向，并为此制定了一个庞大的研究计划。发明晶体管就是这个计划的一个重要组成部分。
    1946年 1月，贝尔实验室的固体物理研究小组正式成立了。这个小组以肖克利为首，下辖若干小组，其中之一包括布拉顿、巴丁在内的半导体小组。在这个小组中，活跃着理论物理学家、实验专家、物理化学家、线路专家、冶金专家、工程师等多学科多方面的人才。他们通力合作，既善于汲取前人的有益经验，又注意借鉴同时代人的研究成果，博采众家之长。小组内部广泛开展有益的学术探讨。“有新想法，新问题，就召集全组讨论，这是习惯”。在这样良好的学术环境中，大家都充满热情，完全沉醉在理论物理领域的研究与探索中。
    开始，布拉顿和巴丁在研究晶体管时，采用的是肖克利提出的场效应概念。场效应设想是人们提出的第一个固体放大器的具体方案。根据这一方案，他们仿照真空三极管的原理，试图用外电场控制半导体内的电子运动。但是事与愿违，实验屡屡失败。
    人们得到的效应比预期的要小得多。人们困惑了，为什么理论与实际总是矛盾的呢？问题究竟出在那里呢？经过多少个不眠之夜的苦苦思索，巴丁又提出了一种新的理论——表面态理论。这一理论认为表面现象可以引起信号放大效应。表面态概念的引入，使人们对半导体的结构和性质的认识前进了一大步。布拉顿等人乘胜追击，认真细致地进行了一系列实验。结果，他们意外地发现，当把样品和参考电极放在电解液里时，
    半导体表面内部的电荷层和电势力发生了改变，这不正是肖克利曾经预言过的场效应吗?
    这个发现使大家十分振奋。在极度兴奋中，他们加快了研究步伐，利用场效应又反复进行了实验。谁知，继续实验中突然发生了与以前截然不同的效应。这接踵而至的新情况大大出乎实验者的预料。人们的思路被打断了，制作实用器件的原计划不能不改变了，渐趋明朗的形势又变得扑朔迷离了。
    然而肖克利小组并没有知难而退。他们紧紧循着茫茫迷雾中的一丝光亮，改变思路，继续探索。经过多次地分析、计算、实验，1947年12月23日，人们终于得到了盼望已久的“宝贝”。这一天，巴丁和布拉顿把两根触丝放在锗半导体晶片的表面上，
    当两根触丝十分靠近时，放大作用发生了。世界第一只固体放大器——晶体管也随之诞生了。在这值得庆祝的时刻，布拉顿按捺住内心的激动，仍然一丝不苟地在实验笔记中写道：“电压增益100，功率增益40，电流损失1/2.5……亲眼目睹并亲耳听闻音频的人有吉布尼、摩尔、巴丁、皮尔逊、肖克利、弗莱彻和包文。”在布拉顿的笔记上，皮尔逊、摩尔和肖克利等人分别签上了日期和他们的名字表示认同。
    巴丁和布拉顿实验成功的这种晶体管，是金属触丝和半导体的某一点接触，故称点接触晶体管。这种晶体管对电流、电压都有放大作用。

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本文刊于：2010-10-1 21:13:03

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