1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——晶體管的發(fā)明

1、1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——晶體管的發(fā)明1581956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——晶體管的發(fā)明1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)加利福尼亞州景山（MountainView）貝克曼儀器公司半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室的肖克利（WilliamShockley，1910—1989）、美國(guó)伊利諾斯州烏爾班那伊利諾斯大學(xué)的巴?。↗ohnBardeen，1908—1991）和美國(guó)紐約州繆勒海爾（MurrayHill）貝爾電話(huà)實(shí)驗(yàn)室的布拉坦（WalterBrattain，19

2、02—1987），以表彰他們對(duì)半導(dǎo)體的研究和晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。晶體管的發(fā)明是20世紀(jì)中葉科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有劃時(shí)代意義的一件大事。由于晶體管比電子管有體積小、耗電省、壽命長(zhǎng)、易固化等優(yōu)點(diǎn)，它的誕生使電子學(xué)發(fā)生了根本性的變革，它撥快了自動(dòng)化和信息化的步伐，從而對(duì)人類(lèi)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)和文化產(chǎn)生了不可估量的影響。應(yīng)該指出，晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)家長(zhǎng)期探索的結(jié)晶，更是基礎(chǔ)研究引向應(yīng)用開(kāi)發(fā)的必然成果。半導(dǎo)體的研究可以追溯到19世紀(jì)，例如，1833年法拉第曾經(jīng)

3、觀察過(guò)某些化合物（例如硫化銀）電阻具有負(fù)溫度系數(shù)。這是半導(dǎo)體效應(yīng)的先聲。1874年，布勞恩（F.Braun）注意到金屬和硫化物接觸時(shí)有整流特性，而1876年亞當(dāng)斯（W.G.Adams）等人發(fā)現(xiàn)光生電動(dòng)勢(shì)。1883年，弗利茲（C.E.Fritts）制成第一個(gè)實(shí)用的硒整流器。無(wú)線(xiàn)電報(bào)出現(xiàn)后，礦石作為檢波器被廣泛應(yīng)用，主要成分是硫化銅，后來(lái)用上了硅和鍺。氧化銅整流器和硒光電池的商品化，要求科學(xué)家深入研究有關(guān)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)和原理。1926年，索末菲

4、用費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)解釋了金屬中電子的行為。他的學(xué)生布洛赫（F.Bloch）研究晶體點(diǎn)陣對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的影響，提出在周期性勢(shì)場(chǎng)中電子占據(jù)的能級(jí)可能形成能帶。1931年A.H.威耳遜（A.H.Wilson）進(jìn)一步對(duì)固體提出量子力學(xué)模型，用能帶理論解釋導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的行為特征，其中包括半導(dǎo)體電阻的負(fù)溫度系數(shù)和光電導(dǎo)現(xiàn)象。后來(lái)，他又提出雜質(zhì)能級(jí)概念，對(duì)摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理作出了說(shuō)明。能帶理論的提出是固體物理學(xué)的一大飛躍，但它還不能解釋半導(dǎo)體的整

5、流特性和光生電動(dòng)勢(shì)等表面現(xiàn)象。1939年莫特（N.F.Mott）和肖特基（W.Schottky）各自獨(dú)立地提出可以解釋阻擋層整流的擴(kuò)散理論。后來(lái)，賽茲（F.Seitz）和巴丁繼續(xù)用能帶理論研究電子和點(diǎn)陣的相互作用，逐漸形成半導(dǎo)體物理學(xué)。與此同時(shí)，由于低溫技術(shù)和真空技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體各種性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究得到加強(qiáng)。區(qū)域熔煉，摻雜控制等工藝的出現(xiàn)使得半導(dǎo)體器件的制備成為可能。然而，如果沒(méi)有貝爾實(shí)驗(yàn)室有遠(yuǎn)見(jiàn)的集體攻關(guān)，晶體管發(fā)明的歷史也許會(huì)是另一

6、個(gè)樣子，信息時(shí)代的到來(lái)也許要推遲若干年。貝爾實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建于1925年，它隸屬于美國(guó)電話(huà)電報(bào)公司（AT＆T）及其子公司西方電器公司，后來(lái)幾經(jīng)并轉(zhuǎn)，發(fā)展成為“全美最大的制造發(fā)明工廠”。1987年職工人數(shù)21000人，其中專(zhuān)家3400人，研究經(jīng)費(fèi)20億美元，是世界最大的由企業(yè)經(jīng)辦的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室之一，歷年來(lái)發(fā)明了有聲電影（1926年）、電動(dòng)計(jì)算機(jī)（1937年）、晶體管（1947年）、激光器（1960年），發(fā)現(xiàn)電子衍射（1927年）和宇宙微波背景輻射

7、（1965年）等等，先后有多位科學(xué)家獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。貝爾實(shí)驗(yàn)室視基礎(chǔ)研究為戰(zhàn)略需要，而基礎(chǔ)研究面向?qū)嶋H應(yīng)用，和開(kāi)展新技術(shù)緊密結(jié)合，使支持它的企業(yè)以技術(shù)領(lǐng)先在世界上立于不敗之地。正是這一方針，導(dǎo)致晶體管不是在別的地方，而是在這個(gè)一貫重視半導(dǎo)體研究的貝爾實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世。1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——晶體管的發(fā)明160起接觸電位的變化。這就產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)。為了研究光生電動(dòng)勢(shì)的變化，小組成員做了大量實(shí)驗(yàn)，其中包括測(cè)量鍺和硅的接觸電位與溫度的關(guān)系。

8、為了避免水汽凝結(jié)在半導(dǎo)體表面，他們把樣品和參考電極浸在液體中，所用的液體實(shí)際上是電解質(zhì)，例如普通的水，電解質(zhì)可以起導(dǎo)電作用。他們發(fā)現(xiàn)，液滴浸潤(rùn)會(huì)使光生電動(dòng)勢(shì)大大增加。而且，如果改變樣品與電極之間電壓的大小和極性時(shí)，光生電動(dòng)勢(shì)也隨之改變。經(jīng)過(guò)討論，他們很快就明白了，這正是肖克利指出的場(chǎng)效應(yīng)。電解液改變了半導(dǎo)體表面的電荷分布和電位分布，從而影響到半導(dǎo)體表面的導(dǎo)電性。這一發(fā)現(xiàn)促使固體物理小組增強(qiáng)了利用場(chǎng)效應(yīng)達(dá)到放大作用的信心。又是富有創(chuàng)見(jiàn)的巴

9、丁第一個(gè)提出新的方案。他根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)原理設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體放大器件的幾何裝臵圖，與布拉坦商議后，立即到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。他們用一層薄石蠟封住金屬針尖，再把針尖插入p型硅片經(jīng)過(guò)處理已經(jīng)變成n型的表面內(nèi)（圖56－1）。在針尖周?chē)乓坏嗡麟娊庖?，使水接觸到硅表面。針與水互相絕緣。果然，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)計(jì)相符：加在水和硅片之間的電壓會(huì)改變從硅片流向針尖的電流。就在這天，他們獲得了半導(dǎo)體器件的功率放大效應(yīng)。他們改用n型鍺來(lái)做實(shí)驗(yàn)，放大效果更好。眼看半導(dǎo)體放大器

10、件成功了，然而，事情并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，這種裝臵并沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。首先一個(gè)問(wèn)題是，水易于蒸發(fā)，難以維持穩(wěn)定的表面態(tài)，即使改用不易揮發(fā)的硼酸二醇，也還存在響應(yīng)頻率過(guò)低的問(wèn)題。這個(gè)裝臵只能在8Hz以下的頻率工作。電解液的動(dòng)作太緩慢了，必須想辦法改進(jìn)。在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，他們注意到電解液下面的鍺表面有一層氧化膜，氧化膜是絕緣的，于是就直接在氧化膜上蒸鍍一個(gè)金點(diǎn)作為電極，氧化膜在金點(diǎn)與鍺片之間起絕緣作用。在金點(diǎn)中央留一小孔以便讓針尖與鍺片接觸。然而當(dāng)他

11、們?cè)趦蓸O之間加上電壓時(shí)，意外的事出現(xiàn)了。針尖與金點(diǎn)之間發(fā)生了放電現(xiàn)象，繼而鍺片流向針尖的電流大增。原來(lái)，氧化膜不甚牢靠，絕緣層很容易就被破壞了。顯然這一方案是行不通的。但是，他們一點(diǎn)也沒(méi)有泄氣。他們決定在鍺表面上做兩個(gè)充分靠近的點(diǎn)接觸，他們想方設(shè)法把兩根極細(xì)的金絲以最近的距離接觸鍺片，金絲的直徑約5密耳（1密耳=103英寸=25.4μm），兩根絲的間距要小于2密耳，這在工藝上簡(jiǎn)直是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的難題。然而，實(shí)驗(yàn)技術(shù)非常高明的布拉坦竟想出了一