摘 要 本文是為紀(jì)念 世紀(jì)在電子技術(shù)方面最偉人的發(fā)明  —晶體管而作。文中回答 晶體管是在什么時(shí)候 發(fā)明的, 是由哪些人發(fā)明的, 它的原始結(jié)構(gòu)是什么樣子等問題, 描述了那激動(dòng)人心的時(shí)刻, 回顧了那漫長(zhǎng)而曲 折的發(fā)明過程, 追憶了發(fā)明后的形勢(shì)發(fā)展, 最后列舉了由此引出的幾點(diǎn)點(diǎn)啟發(fā)。

1 引言

當(dāng)人類社會(huì)進(jìn)人21 世紀(jì)的時(shí)刻, 回顧過去一個(gè)世紀(jì)的重大發(fā)明, 晶本管應(yīng)該是其中突出的一個(gè)。因?yàn)樗苿?dòng)r 信息革命, 帶動(dòng) 產(chǎn)業(yè)革命, 開辟了億萬個(gè)就業(yè)崗位, 改變了人類社會(huì)工作方式和生活方式, 其影響面之廣泛, 恐非其它發(fā)明所能及。然而當(dāng)有人問起晶體管是什么時(shí)候被發(fā)明的?是由哪些人發(fā)明的? 是如何發(fā)明的? 能正確回答這些問題的人恐怕不是很多〔, 借此機(jī)會(huì), 作者不揣淺陋, 將過去的有關(guān)資料整理出來向各位老師匯報(bào),并陳述幾點(diǎn)山此得到的啟發(fā)。

2 激動(dòng)人心的時(shí)刻

19 4 7 年12 月2 3 11 , 那是圣誕夜的前一天,威廉肖克利( William Schockley 以后簡(jiǎn)稱肖) 把車開到離紐約市20 英里的貝爾實(shí)驗(yàn)室( 以后簡(jiǎn)稱貝) 。那時(shí)天空陰暗, 才早上7 點(diǎn), 他匆忙走過空空蕩蕩的走廊, 到達(dá)二樓辦公室〔在那里, 他心情激動(dòng)地等待著他的同事們。因?yàn)楫?dāng)天下午他們要向貝的領(lǐng)導(dǎo)演示他們的新發(fā)明 不用電子管的放大器。

大約一小時(shí)后, 約翰巴丁( John Bardeen 以后簡(jiǎn)稱巴) 和瓦爾特布萊頓(Walter Brattain 以后簡(jiǎn)稱布)陸續(xù)來到實(shí)驗(yàn)室。巴進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單的 計(jì)算, 布和他的助手再一次檢查對(duì)那個(gè)神秘裝置的接線。布望著窗外連綿的細(xì)雨, 心里嘀咕那是吉祥還是災(zāi)難的預(yù)兆。

午餐后, 貝的各方面領(lǐng)導(dǎo)來到實(shí)驗(yàn)室, 其中有固體小組組長(zhǎng)肖, 肖的上司、聲學(xué)家Fletcher , 貝的研究室主任Bown, 此外還有提供鍺樣品的Gibney，巴布同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的Pcarson 負(fù)責(zé)接線測(cè)試的Moore（vege Moore是否就是那個(gè)Moore定理的Moore?）

展示在他們l目前的, 除獷常規(guī)的儀器設(shè)備如示波器、信號(hào)發(fā)生器、變壓器、話筒、耳機(jī)、電表、轉(zhuǎn)換開關(guān)之外, 就是被它們圍繞著的那個(gè)神秘的裝置。它是由兩邊包著金箔的塑料楔形體, 由彈簧壓在鍺半分體表面上所組成的, 兩邊的金箔分別接信號(hào)的輸人端和輸出端, 鍺半導(dǎo)體底部為共同端, 示意圖見圖!

在簡(jiǎn)短的介紹之后, 布接通電源和信號(hào),從示波器熒光屏卜顯示的, 經(jīng)放大器前后的波形對(duì)比,, lJ 以看到信號(hào)是顯著地被放大了。布然后對(duì)著話筒隨意講一些話, 戴著耳機(jī)的(Bown、臉土認(rèn)刻露出驚奇的神情。他把耳機(jī)傳給了Fletcher, 后者聽 之后不斷地?fù)u頭驚吧這激動(dòng)人心的情景, 令人回憶起7 0 年前電話的發(fā)明者業(yè)歷山大貝爾在波卜頓住所的閣樓拿著話筒對(duì)他的助手說:  華生先生到這哄來, 我需要你’ 的現(xiàn)場(chǎng)、他們似乎預(yù)感到, 科學(xué)發(fā)展另個(gè)新篇章已經(jīng)開始，事后貝為肖巴布二人照一張合影。

3 漫長(zhǎng)而曲折的道路

晶體管的發(fā)明有一些偶然性，但絕不是出于某個(gè)人的靈機(jī)一動(dòng)，一覺醒來就大功告成的。

早在20世紀(jì)30年代，從事電話業(yè)務(wù)的企業(yè)就希望能有一種電子器件，希望它具有電子管的功能但卻沒有電子管中的燈絲，因?yàn)榧訜釤艚z不僅消耗能量而且需要加熱時(shí)間，這就延長(zhǎng)了工作時(shí)的啟動(dòng)過程；再加上燈絲有其一定的壽命，連續(xù)使用一年半載就要更換；此外，燈絲發(fā)出的熱量有時(shí)還需要排除。這些缺點(diǎn)給電子設(shè)備的設(shè)計(jì)者、使用者、維修者帶來很多苦惱。對(duì)此，軍事部門需求解決的迫切性更為強(qiáng)烈。

有鑒于此，當(dāng)時(shí)貝爾的實(shí)驗(yàn)室主任Kelly根據(jù)19世紀(jì)以來關(guān)于半導(dǎo)體在光照下能產(chǎn)生電流以及它和金屬接觸能起到整流和檢波作用的現(xiàn)象，認(rèn)為半導(dǎo)體有希望能取代電子管。為此，要加強(qiáng)對(duì)固體物理基礎(chǔ)理論的研究。

從1936年起開始招聘有關(guān)的尖端人才，組成研究小組。肖那時(shí)和布都是其中的成員，他們共同研究的課題是氧化銅的工作機(jī)理。肖想以氧化銅制成三極管，但實(shí)驗(yàn)屢次失敗。1939年貝爾的科學(xué)家??Ohl和Scaff制成兩個(gè)方向?qū)щ娦阅懿煌墓璋簦矣霉庹丈鋾r(shí)能產(chǎn)生電流。他們定義一端為P，另一端為N。后來Theuzer發(fā)現(xiàn)，將微量的硼加入溶化的硅中，冷卻后即成為P型半導(dǎo)體；而將微量的磷加入后，即成為N型半導(dǎo)體。當(dāng)布聽到這個(gè)消息時(shí)，竟認(rèn)為他們是瘋子。

1940年Kelly召集布和其他一些人觀看Ohl做的光電效應(yīng)表演，布看了之后，眼睛睜得大大的，連連搖著頭說：“這簡(jiǎn)直不可思議!”因?yàn)樗M(fèi)多年心血研究出來的成果，其電流值還不到人家的1／10。由于第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，肖和布都另有任務(wù)，他們的研究課題就擱置下來。與此同時(shí)，普渡(Purdue)大學(xué)的Horo~tz教授研究小組已提煉出具有相當(dāng)純度的鍺錠，并認(rèn)為鍺和硅是具有應(yīng)用前途的半導(dǎo)體。

隨著歐戰(zhàn)將近結(jié)束，肖和布又回到貝爾，那時(shí)Kelly已是貝爾的副經(jīng)理，他繼續(xù)推行研究固體物理的方針，于1945年成立固體物理研究小組，由肖任組長(zhǎng)。肖上任后做的第一件事就是聘用巴和其他一些科學(xué)家；第二件事是整理過去有關(guān)半導(dǎo)體方面的文獻(xiàn)；第三件事是到普渡大學(xué)調(diào)研，盡可能獲取最新信息，然后提出構(gòu)成一個(gè)半導(dǎo)體三極管的設(shè)想。那就是將一片金屬板復(fù)蓋在半導(dǎo)體上面，利用金屬與半導(dǎo)體之間的電壓所產(chǎn)生的電場(chǎng)來控制在半導(dǎo)體中通過的電流，這基本上是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理。

不幸的是，布等人進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)都沒有成功。肖于是轉(zhuǎn)而研究其它課題，把這個(gè)攤子留給其他人繼續(xù)干。1946年巴分析了失敗的原因，提出了表面狀態(tài)理論。即由于半導(dǎo)體的表面晶體有缺陷，它能捕獲電子，形成對(duì)電場(chǎng)的屏蔽，使場(chǎng)效應(yīng)無法實(shí)現(xiàn)。1947年的下半年，他們已經(jīng)采用在金屬與半導(dǎo)體之間加入電解質(zhì)井在它和半導(dǎo)體之間通電以消除表面狀態(tài)的辦法，使半導(dǎo)體的表面電阻能在一定范圍內(nèi)變化，但還存在沒有電壓增益以及頻率響應(yīng)只能達(dá)到10Hz等缺點(diǎn)。

1947年12月11日，同組的物理化學(xué)家Gibney向他們提供一個(gè)N型鍺片，上面生成了氧化層(取代電解質(zhì))，在氧化層上面又沉淀}5個(gè)小金粒(goldspot)。布在金粒上面打二個(gè)小洞，用鎢絲穿過小洞和氧化層到達(dá)半導(dǎo)體作為一個(gè)電極，希望通過改變金粒塊和半導(dǎo)體之間的電壓能改變電極和半導(dǎo)體之間的電阻(或流過半導(dǎo)體的電流)。

布在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)金粒與半導(dǎo)體之間的電阻很小，二者幾乎形成短路，即氧化層沒有起絕緣的作用。而當(dāng)布在金粒和鎢絲電極加上負(fù)電壓后，發(fā)現(xiàn)沒有輸出信號(hào)。在操作過程中，布不小心將鎢絲和金粒短路，將金粒燒毀。

12月12日，布分析失敗的原因，是由于用水沖洗時(shí)將氧化層的氧化膜一起沖走．從而造成短路。此時(shí)已是周末，到了下周一，12月15日，布決定即使在這種情況下，也值得試一試。他將鎢絲電極移到金粒的旁邊，加上負(fù)電壓，而在金粒上加了正電壓，突然間，在輸出端出現(xiàn)了和輸入端變化相反的信號(hào)，巴和布立刻意識(shí)到一個(gè)歷史性的新紀(jì)元開始了。初步測(cè)試的結(jié)果是：電壓放大倍數(shù)為2，上限頻率可達(dá)10000Hz，至此，前面所說的兩個(gè)缺點(diǎn)都被克服．

此后的幾天，他們把整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置改為如圖1所示的形式。在12月23日下午表演時(shí)，測(cè)得的功率增益為大于18。布在實(shí)驗(yàn)手冊(cè)中記錄了當(dāng)時(shí)的情況，見圖3。如果嬰兒的出生時(shí)刻以脫離母體的那一瞬間為準(zhǔn)，則晶體管的發(fā)明時(shí)間應(yīng)該是1947年12月15日，而12月23日相當(dāng)于把嬰兒抱給父親看的時(shí)間。根據(jù)小組成員對(duì)這項(xiàng)工作的貢獻(xiàn)大小，推舉巴和布為發(fā)明人?？紤]肖在發(fā)明前后對(duì)晶體管理論的研究成就，肖和巴、布三人共同獲得了1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

4 發(fā)明以后

1. 晶體管(Transistor)名稱由來

那個(gè)“神秘裝置”表演成功后，要給它起個(gè)名字．按常規(guī)，這個(gè)光榮任務(wù)由巴和布來承擔(dān)。他們?yōu)榇硕藥讞l原則：第一，字節(jié)不要過長(zhǎng)，以2至3個(gè)為度，第二，最后兩個(gè)字應(yīng)該是er或or，表示與其它電子元件一致，例如Resistor；第三，要體現(xiàn)它的性能特點(diǎn)。巴和布冥思苦想了好久，始終沒能提出合適的名字。有一天，恰巧以寫科學(xué)幻想小說出名的作家Pierce從他們辦公室門口走過，他們急忙把他攔住，說：“你正是我們要找的人并陳述原委之后，Pierce問：“它的特點(diǎn)是什么?”回答是：“和電子管相仿?！庇謫枺骸半娮庸茏钔怀龅男阅苁鞘裁?”回答是：”Transconductance?！盤ierce一拍腦袋說：“那么叫它Transresistor如何?”他們認(rèn)為這個(gè)主意不錯(cuò)，但字節(jié)太長(zhǎng)，于是就把它壓縮成為Transistor。在20世紀(jì)50年代我國(guó)科學(xué)家就按上述三個(gè)原則把它譯成“晶體管”，沿用至今。

2. 為什么不急于公布此項(xiàng)發(fā)明？

晶體管發(fā)明后，貝爾并不急于將此消息公開，其原因是：

(1)出于技術(shù)儲(chǔ)備策略上的需要，預(yù)防競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手前來摸底，迎頭趕上；(2)怕軍方知道后，以國(guó)防機(jī)密為藉口將成果封閉，阻礙了研究工作的進(jìn)一步開展；(3)在此期間可以進(jìn)行晶體管應(yīng)用方面的研究以取得領(lǐng)先的地位。

但是到了1948年初，他們知道普渡大學(xué)在晶體管的研究工作將有所突破，怕發(fā)明權(quán)被人奪走，于是在1948年6月30日召開記者招待會(huì)，宣布了這項(xiàng)消息。但媒體對(duì)此事的熱情并不高，第二天的《紐約時(shí)報(bào)》把它深埋在第46版。

3.發(fā)明之后人員變化

晶體管的發(fā)明是研究小組送給貝爾的最豐盛的圣誕禮物，有關(guān)的人無不歡欣鼓舞，然而有一位卻是例外，那就是肖。他自幼即被人稱為天才，從不甘居第二，但在這場(chǎng)戰(zhàn)役中，他作為一組之長(zhǎng)，既沒有身先士卒，又沒有親自指揮，沒有被列入發(fā)明家是理所當(dāng)然的，這使他的自尊心受到很大的打擊。沮喪之余，他又轉(zhuǎn)回來研究晶體管，但不是和大家一起集中精力開發(fā)巴和布發(fā)明的點(diǎn)接觸式晶體管，而是去研究用PN結(jié)代替點(diǎn)接觸，這樣做，在工藝上比較容易實(shí)現(xiàn)而且性能也比較穩(wěn)定可靠。

然而他卻不和巴、布交流，背著大家干。這激怒了巴，他一氣之下于1951年到伊利諾大學(xué)去任教了；在那里，他研究的超導(dǎo)理論于1972年又獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。與此同時(shí)，布也悄悄地離開小組到貝爾的其它崗位，而肖提出的場(chǎng)效應(yīng)管和結(jié)型晶體管的研究工作倒也取得很大進(jìn)展。

看到半導(dǎo)體形勢(shì)大好，他于1955年脫離貝爾，1956年在加州硅谷創(chuàng)建了他自己的“肖克利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室”，并從貝爾和其它單位招聘了一些杰出的科學(xué)家，想大干一場(chǎng)。但因不善經(jīng)營(yíng)等原因，實(shí)驗(yàn)室于1965年倒閉，他到斯坦福大學(xué)去教“量子力學(xué)”并研究種族與智力的關(guān)系，認(rèn)為白人就是比黑人優(yōu)秀．以此申請(qǐng)國(guó)家科學(xué)基金，未獲批準(zhǔn)。他于1989年逝世。巴和布從貝爾分手后，還經(jīng)常聯(lián)系，布有時(shí)到巴的住所，二人一同去打高爾夫球，重溫當(dāng)年情誼。布于1987年逝世，巴于1991年逝世。

4.晶體管應(yīng)用推廣

鑒于晶體管發(fā)明后小組人才不斷流失的情況，貝爾放棄了自己開發(fā)、生產(chǎn)晶體管的設(shè)想，而把這項(xiàng)任務(wù)通過出售產(chǎn)品許可證的方式轉(zhuǎn)移給有關(guān)企業(yè)。首先得到許可的有：RCA、GE、Philco、Westing—house等8家制造電子管的公司，到1956年，貝爾已從中收入百萬美元，相當(dāng)于從一開始到1949年的全部研究晶體管的經(jīng)費(fèi)。

在晶體管的應(yīng)用方面，1953年首先用于助聽器；1954年德州儀器公司(T1)制成硅三極管并用它制成第一批晶體管收音機(jī)，售價(jià)49．95美元，不久，這個(gè)市場(chǎng)卻被日本索尼(Sony，那時(shí)是—個(gè)不知名的小公司)所占有。到了1958年至1959年，TI的Kilby和仙童(Fairchitd)的Noyce都提出了制造集成電路的具體工藝措施，Kilby還在國(guó)際會(huì)議上展出他所制造的集成觸發(fā)器和相移式正弦波振蕩器。至此，由巴和布在1947年點(diǎn)燃的晶體管星星之火，已開始形成燎原之勢(shì)。

5 幾點(diǎn)啟發(fā)

1. 從宏觀的角度看，晶體管的發(fā)明是由客觀形勢(shì)的需要和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展這兩個(gè)主要因素所促成的。古往今來，一項(xiàng)偉大的發(fā)明幾乎都不是憑某個(gè)人的心血來潮、一蹴而就的，而是在前人的基礎(chǔ)上，明確方向，經(jīng)歷許多次失敗和挫折，但是敗而不餒，鍥而不舍，再加上一點(diǎn)機(jī)遇，最終才取得成功的。晶體管的發(fā)明也正符合這一規(guī)律?，F(xiàn)在有些研究生只希望化最少的精力來獲取最多的成果，這樣恐怕是難以有重大成就的。

2. “機(jī)遇垂青于有準(zhǔn)備者”。巴和布在實(shí)驗(yàn)中，由于發(fā)生了兩個(gè)短路事故和改變了電壓的極性，從而得到信號(hào)反相的現(xiàn)象。這在一般人的眼里會(huì)被白白放過，而他們正是因?yàn)橛卸啻问〉慕?jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和對(duì)放大作用的深刻理解，才能抓住這個(gè)機(jī)遇，取得成功。此外，他們二人均非平庸之輩，巴畢業(yè)于普林斯頓大學(xué)，獲博士學(xué)位，是理論物理學(xué)家；布畢業(yè)于奧里崗大學(xué)和明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究院。是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。他們二人不僅在業(yè)務(wù)上體現(xiàn)理論與實(shí)際的結(jié)合，而且在感情上也非常和睦，周末經(jīng)常一起去打高爾夫球。這些都可以認(rèn)為是獲得機(jī)遇前的準(zhǔn)備。

3. 晶體管發(fā)源于貝爾也不是偶然的。首先，他們的各層領(lǐng)導(dǎo)都頗具遠(yuǎn)見．深信固體器件要代替電子管，在研究經(jīng)費(fèi)方面一貫給以支持；其次，他們善于選拔杰出人才，Kelly認(rèn)為他對(duì)發(fā)明晶體管的貢獻(xiàn)是由于找到了肖，肖則認(rèn)為他的貢獻(xiàn)是聘用了巴，而且發(fā)明時(shí)他并不在場(chǎng)；第三，有一系列調(diào)動(dòng)研究人員積極性的措施，如大方向確定后可以自由選題，領(lǐng)導(dǎo)對(duì)具體工作不干涉，并提供良好的圖書、資料、實(shí)驗(yàn)、加工等條件，定期召開學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)和討論會(huì)，每人輪流報(bào)告工作的進(jìn)展，出成果后寫出的論文，未參加具體工作的領(lǐng)導(dǎo)不署名等等；第四，建立多種學(xué)科體系，網(wǎng)羅各方面的杰出人才，促進(jìn)跨學(xué)科交流，鼓勵(lì)新學(xué)科的發(fā)展，有許多發(fā)明的理論(如反饋理論、信息論)都是由他們提出的?？上壳柏悹栆巡淮嬖?。

4. 一個(gè)事業(yè)的成功與否，不在于是外行領(lǐng)導(dǎo)內(nèi)行還是內(nèi)行領(lǐng)導(dǎo)內(nèi)行，而在于領(lǐng)導(dǎo)者是否善于聽取下屬的意見，能否博采眾長(zhǎng)，制訂出合情合理的政策。工作中有了成績(jī)不居功，有了缺點(diǎn)不推卸責(zé)任。這些雖屬老生常談，但要切實(shí)做到也不容易。肖的悲劇就在于他在業(yè)務(wù)上是一個(gè)天才，所提出的一些理論和設(shè)想都基本上是正確的；但他不是一個(gè)天才的領(lǐng)導(dǎo)者，他違反了上面所提的原則。當(dāng)晶體管發(fā)明后，他為了貫徹自己的設(shè)想逼走了巴和布；在他后來創(chuàng)辦的企業(yè)里，他以太上皇自居，研究人員的課題都要聽他的指揮，他指示電路設(shè)計(jì)者用肖克利二極管的負(fù)阻效應(yīng)研制放大器；為了顯示自己的才能，有些市上可以買到的儀器設(shè)備，他都要親自動(dòng)手制造；結(jié)果是嚴(yán)重挫傷了大家的積極性，人才紛紛外流，企業(yè)隨之倒閉。這是內(nèi)行領(lǐng)導(dǎo)內(nèi)行而失敗的典型例子。

5. 即使是第一流的專家，在新生事物面前也難免保守。越是權(quán)威，他的保守思想帶來的危害性也越大。布痛斥提出半導(dǎo)體有P和N兩種類型的人是瘋子，他的錯(cuò)誤所產(chǎn)生的影響倒不大；但當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)的某些權(quán)威科學(xué)家認(rèn)為“晶體管的性能不穩(wěn)定，一開窗戶電流就會(huì)變，豈能用它？這一句話卻使蘇聯(lián)的半導(dǎo)體器件和計(jì)算機(jī)工業(yè)至今還處在落后的地位，可見其影響之深遠(yuǎn)了。

6. 俗語說：“人過三十五，難有大建樹”。但是，晶體管發(fā)明時(shí)，巴、布、肖三人分別是39 歲、45歲、37歲，都已超齡，而巴第二次獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)所做的超導(dǎo)研究是在他48歲時(shí)。因此，年齡不是主要的障礙，只要我們思路正確，刻苦鉆研，敗而不餒，鍥而不 ? 舍，善于抓住機(jī)遇，就一定會(huì)有所成就。

上述幾點(diǎn)啟示愿與各位老師共勉。

童詩(shī)白先生誕辰100周年

為了弘揚(yáng)童先生師德垂范、澤惠數(shù)代的精神和辛勤耕耘、樂教奉獻(xiàn)的風(fēng)范，清華大學(xué)自動(dòng)化系將于2020年9月5日上午9點(diǎn)在清華大學(xué)主樓接待廳舉行童詩(shī)白先生誕辰100周年紀(jì)念會(huì)暨“天立-童詩(shī)白中國(guó)自動(dòng)化教育獎(jiǎng)”啟動(dòng)儀式，并在抖音、快手和微博平臺(tái)進(jìn)行直播。

屆時(shí)，學(xué)界同仁、童先生的學(xué)生和親朋故友、相關(guān)院系師生蒞臨現(xiàn)場(chǎng)，共同紀(jì)念童先生百年誕辰，見證“天立-童詩(shī)白中國(guó)自動(dòng)化教育獎(jiǎng)”啟動(dòng)，弘揚(yáng)童先生的高尚品德和精神風(fēng)范。