大家新年好，我是小棗君。
春節(jié)后的第一篇原創(chuàng)文章，我來填個坑，把年前那篇《什么是電子管（真空管）》（鏈接）的續(xù)集寫完，也就是今天這篇 ——《什么是晶體管》。
在上篇文章中，我給大家提到，電子管雖然能夠?qū)崿F(xiàn)檢波和放大，但是存在很多缺點，例如體積大、故障率高、容易損壞（玻璃管子）、發(fā)熱大、能耗高等等。
正因為有這些缺點，專家們一直在思考，是不是有性能更好、缺點更少的元器件，可以取代電子管，支撐電子產(chǎn)業(yè)的長遠發(fā)展。
想著想著，他們將目光放到了礦石檢波器的身上。
█ 礦石檢波器 —— 世界上最早的半導(dǎo)體器件
礦石檢波器比電子管歷史更加悠久。它利用的，是一些天然礦石（金屬硫化物）的電流單向?qū)ㄌ匦裕ㄔ斠娚掀?/p>
這種特性，其實并不新奇。在很多很多年以前，就已經(jīng)有人發(fā)現(xiàn)了這種特性。
1782 年，意大利著名物理學(xué)家亞歷山德羅?伏特（Alessandro Volta），經(jīng)過實驗總結(jié)，發(fā)現(xiàn)固體物質(zhì)大致可以分為三種：
第一種，像金銀銅鐵等這樣的金屬，極易導(dǎo)電，稱為導(dǎo)體；
第二種，像木材、玻璃、陶瓷、云母等這樣的材料，不易導(dǎo)電，稱為絕緣體；
第三種，介于導(dǎo)體和絕緣體之間，會緩慢放電。
第三種材料的奇葩特性，伏特將其命名為“Semiconducting Nature”，也就是“半導(dǎo)體特性”。這是人類歷史上第一次出現(xiàn)“半導(dǎo)體”這一稱呼。
后來，陸續(xù)有多位科學(xué)家，有意或無意中，發(fā)現(xiàn)了一些半導(dǎo)體特性現(xiàn)象。例如：
1833 年，邁克爾?法拉第（Michael Faraday）發(fā)現(xiàn)，硫化銀在溫度升高時，電阻反而會降低（半導(dǎo)體的熱敏特性）。
1839 年，法國科學(xué)家亞歷山大?貝克勒爾（Alexandre Edmond Becquerel）發(fā)現(xiàn)，光照可以使某些材料的兩端產(chǎn)生電勢差（半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)）。
1873 年，威勒畢?史密斯（Willoughby Smith）發(fā)現(xiàn)，在光線的照射下，硒材料的電導(dǎo)率會增加（半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)）。
……
這些現(xiàn)象，當時沒有人能夠解釋，也沒有引起太多關(guān)注。
1874 年，德國科學(xué)家卡爾?布勞恩（Karl Ferdinand Braun）發(fā)現(xiàn)了前面所說的天然礦石（金屬硫化物）的電流單向?qū)ㄌ匦?。這是一個巨大的里程碑。
可惜的是，布勞恩并沒有重視這個發(fā)現(xiàn)，反而轉(zhuǎn)去研究陰極射線管（也就是 CRT，它是現(xiàn)代顯示技術(shù)的基礎(chǔ)）。
后來，海因里希?赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）成功證實了無線電磁波的存在，布勞恩又轉(zhuǎn)回?zé)o線電的研究。他與馬可尼合作，大幅改進了早期的無線通信系統(tǒng)。兩人共同獲得了 1909 年的諾貝爾物理學(xué)獎。
1906 年，美國工程師格林里夫?惠特勒?皮卡德（Greenleaf Whittier Pickard），基于黃銅礦石晶體，發(fā)明了著名的礦石檢波器（crystal detector），也被稱為“貓胡須檢波器”（檢波器上有一根探針，很像貓的胡須，因此得名）。
礦石檢波器是人類最早的半導(dǎo)體器件。它的出現(xiàn)，是半導(dǎo)體材料的一次“靈光乍現(xiàn)”。盡管它存在一些缺陷（品控差，工作不穩(wěn)定，因為礦石純度不高），但有力推動了無線電通信的發(fā)展?；诘V石檢波器制造的收音機產(chǎn)品大量普及，極大加強了人類信息的傳遞。
人們使用著礦石檢波器，卻始終想不明白它的工作原理。在此后的 30 余年里，人們反復(fù)思考 —— 為什么會有半導(dǎo)體材料？為什么半導(dǎo)體材料可以實現(xiàn)單向?qū)щ姡?/p>
早期的時候，很多人甚至懷疑半導(dǎo)體材料是否真的存在。著名物理學(xué)家泡利（Pauli）曾經(jīng)表示：“人們不應(yīng)該研究半導(dǎo)體，那是一個骯臟的爛攤子，有誰知道是否有半導(dǎo)體的存在?！?/p>
█ 量子力學(xué) —— 半導(dǎo)體的理論基石
1904 年，世界上第一個電子管（真空管）誕生，標志著人類進入了電子管時代。電子管的崛起，降低了人們對礦石檢波器和半導(dǎo)體技術(shù)的關(guān)注熱情。
后來，隨著量子力學(xué)的誕生和發(fā)展，半導(dǎo)體的理論研究終于有了突破。
1928 年，德國物理學(xué)家、量子力學(xué)創(chuàng)始人之一，馬克斯?普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck），在應(yīng)用量子力學(xué)研究金屬導(dǎo)電問題中，首次提出了固體能帶理論。
他認為，在外電場作用下，半導(dǎo)體導(dǎo)電分為“空穴”參與的導(dǎo)電（即 P 型導(dǎo)電）和電子參與的導(dǎo)電（即 N 型導(dǎo)電）。半導(dǎo)體的許多奇異特性，都是由“空穴”和電子所共同決定的。（限于篇幅，詳細技術(shù)原理后續(xù)再介紹。）
能帶論的出現(xiàn)，第一次從科學(xué)角度解釋了，為什么固體可以分為絕緣體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體。
1931 年，英國物理學(xué)家查爾斯?威爾遜（Charles Thomson Rees Wilson）在能帶論的基礎(chǔ)上，提出半導(dǎo)體的物理模型，奠定了半導(dǎo)體學(xué)科的理論基礎(chǔ)。
1939 年，蘇聯(lián)物理學(xué)家А.С.達維多夫（А.С.Давыдов）、英國物理學(xué)家內(nèi)維爾?莫特（Nevill Francis Mott）、德國物理學(xué)家華特?肖特基（Walter Hermann Schottky），紛紛為半導(dǎo)體基礎(chǔ)理論添磚加瓦。達維多夫首先認識到半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的作用，而肖特基和莫特提出了著名的“擴散理論”。
基于這些大佬們的貢獻，半導(dǎo)體的基礎(chǔ)理論大廈，逐漸奠基完成。
█ 貝爾實驗室 —— 創(chuàng)造奇跡的地方
推動半導(dǎo)體的發(fā)展和應(yīng)用，只有理論是不夠的，工藝也要跟上。
礦石檢波器誕生之后，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)，這款檢波器的性能，和礦石純度有極大的關(guān)系。礦石純度越高，檢波器的性能就越好。
因此，很多科學(xué)家們進行了礦石材料（例如硫化鉛、硫化銅、氧化銅等）的提純研究，提純工藝不斷精進。
在這里，我就要提到人類歷史上最偉大的實驗室 —— 貝爾實驗室。
上篇中，我介紹過，美國 AT&T 公司為了建設(shè)長途電話網(wǎng)，收購了德?福雷斯特的三極管專利。
后來，因為認識到電子管這類基礎(chǔ)研究的價值，AT&T 在 1925 年收購了西方電氣（Western Electric）的研究部門，并在此基礎(chǔ)上，專門成立了“貝爾實驗室”。
20 世紀 30 年代，貝爾實驗室的科學(xué)家羅素?奧爾（Russell Shoemaker Ohl）提出，使用提純晶體材料制作的檢波器，將會完全取代電子二級管。（要知道，當時電子管處于絕對的市場統(tǒng)治地位。）
經(jīng)過對 100 多種材料的逐一測試，他認為，硅晶體是制作檢波器的最理想材料。為了驗證自己的結(jié)論，他在同事杰克?斯卡夫（Jack Scaff）的幫助下，提煉出了高純度的硅晶體熔合體。
因為貝爾實驗室不具備硅晶體的切割能力，奧爾將這塊熔合體送到珠寶店，切割成不同大小的晶體樣品。沒想到，其中一塊樣品，在光照后，一端表現(xiàn)為正極（positive），另一端表現(xiàn)為負極（negative），奧爾將其分別命名為 P 區(qū)和 N 區(qū)。就這樣，奧爾發(fā)明了世界上第一個半導(dǎo)體 PN 結(jié)（p–n junction）。
奧爾的發(fā)現(xiàn)，震驚了貝爾實驗室的總監(jiān) —— 默文?凱利（Mervin J. Kelly）。
默文?凱利是半導(dǎo)體發(fā)展史上的一個重要人物。1917 年，他就加入了 AT&T，從事電子管的研究。30 年代末，電子管研究逐漸進入瓶頸。默文?凱利發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體晶體材料，才是未來的發(fā)展方向。
影響默文?凱利的，并不僅僅是奧爾。
1939 年 9 月，二戰(zhàn)爆發(fā)。為了合作對抗德國，英國全面加強了和美國的技術(shù)合作。其中，英國帶來的一項重要合作課題，就是 1935 年他們發(fā)明的雷達技術(shù)。
雷達技術(shù)，其實就是無線電技術(shù)的一個延伸。雷達性能的好壞，和電子器件有著密切的關(guān)系。當時，電子管是行業(yè)主流，但它信噪比差、工作不穩(wěn)定，又容易壞，所以備受軍方的嫌棄。
二戰(zhàn)期間，AT&T 旗下的西方電氣公司，基于提純的半導(dǎo)體晶體，制造了一批硅晶體二極管。這些二極管體積小巧、故障率低，大大改善了盟軍雷達系統(tǒng)的工作性能和可靠性。
奧爾的 PN 結(jié)發(fā)明，以及硅晶體二極管的優(yōu)異表現(xiàn)，堅定了默文?凱利發(fā)展晶體管技術(shù)的決心。他暗下決定，要帶領(lǐng)貝爾實驗室，all in 半導(dǎo)體。
1945 年 7 月，二戰(zhàn)臨近結(jié)束。為了適應(yīng)戰(zhàn)后研究方向的調(diào)整，貝爾實驗室進行了各個研究部門的改組。
當時，默文?凱利已經(jīng)是貝爾實驗室的執(zhí)行副總裁。在他的推動下，貝爾實驗室成立了 3 個研究組。其中之一，就是固體物理研究組。
按默文?凱利的設(shè)想，固體物理研究組的成立目的，是要在固體物理理論的指導(dǎo)下，“尋找物理和化學(xué)方法，以控制構(gòu)成固體的原子和電子的排列和行為，以產(chǎn)生新的有用的性質(zhì)”。
說白了，其實就是研制晶體三極管。
固體物理研究組的內(nèi)部，分為半導(dǎo)體和冶金兩個小組。擔任半導(dǎo)體小組組長的，是來自麻省理工大學(xué)的博士，威廉?肖克利（William Shockley）。
肖克利是一個頗具傳奇色彩的人。他 1910 年 2 月 13 日生于英國倫敦，后來考入美國麻省理工學(xué)院，學(xué)習(xí)量子物理。
1936 年，肖克利拿到博士學(xué)位后，受默文?凱利的專門邀請，加入貝爾實驗室，從事固體物理的研究。1939 年，肖克利根據(jù)莫特-肖特基的整流理論，結(jié)合自己的實驗結(jié)果，提出了非常重要的“場效應(yīng)”理論。
1942 年，肖克利曾經(jīng)短暫離開了貝爾實驗室，加入了軍隊研究所，從事深水炸彈和雷達投彈瞄準器方面的研究工作。
特別值得一提的是，二戰(zhàn)后期，肖克利曾經(jīng)受美國政府的邀請，做了一份關(guān)于進攻日本本土的傷亡評估報告。這個報告，極大影響了后來的美國對日戰(zhàn)略，也間接影響了美國投放原子彈的決定。
二戰(zhàn)結(jié)束后，為了表彰肖克利的貢獻，美國政府專門給他頒發(fā)了“國家功勛獎?wù)隆保@是美國平民所能獲得的最高榮譽勛章。后來，帶著一身榮譽，肖克利又回到了貝爾實驗室。
除了肖克利之外，貝爾實驗室的固體物理研究組還有多位大牛，例如半導(dǎo)體專家皮爾遜（G.L.Pearson）、物理化學(xué)家吉布尼（R.B.Gibney）、電子線路專家摩爾（H.R.Moore）、理論物理學(xué)家約翰?巴丁（J.Bardeen）、實驗物理學(xué)家沃爾特?布拉頓（Walter H. Brattain）。
對了，這個沃爾特?布拉頓，1902 年出生于中國廈門（父母都是美國人），1903 年返回美國。
一直致力于硅和鍺晶體提純工藝的半導(dǎo)體專家羅素?奧爾（前文提到的那個）和高登?蒂爾（Gordon Kidd Teal），也支持了固體物理研究組的相關(guān)工作。
研究組的早期工作并不順利。在成立后的一年時間里，他們基于肖克利的理論設(shè)想，進行了大量實驗，但是沒有取得什么成果。
1946 年，約翰?巴丁基于肖克利的場效應(yīng)理論，提出了“表面態(tài)”理論，解決了困擾大家許久的問題。
后來，約翰?巴丁和沃爾特?布拉頓一路摸索前進（其中過程極為坎坷曲折）。終于，1947 年 12 月 23 日，他們做成了世界上第一只半導(dǎo)體三極管放大器。也就是下面這個看上去非常奇怪且簡陋的東東：
在實驗筆記上，布拉頓按捺住內(nèi)心的激動，一絲不茍地寫道：“電壓增益 100，功率增益 40，電流損失 1/2.5……”
皮爾遜、摩爾和肖克利等人，在現(xiàn)場觀摩了他們的實驗，并分別在布拉頓的筆記上簽名，以示認同和證明。
在命名時，巴丁和布拉頓認為，這個裝置之所以能夠放大信號，是因為它的電阻變換特性，即信號從“低電阻的輸入”到“高電阻的輸出”。于是，他們將其取名為 trans-resistor（轉(zhuǎn)換電阻）。后來，縮寫為 transistor。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森，將其中文譯名定為晶體管。
我歸納一下，半導(dǎo)體特性是一種特殊的導(dǎo)電能力（受外界因素）。具有半導(dǎo)體特性的材料，叫半導(dǎo)體材料。硅和鍺，是典型且重要的半導(dǎo)體材料。
微觀上，按照一定規(guī)律排列整齊的物質(zhì)，叫做晶體。硅晶體就有單晶、多晶、無定型結(jié)晶等形態(tài)。
晶體形態(tài)決定了能帶結(jié)構(gòu)，能帶結(jié)構(gòu)決定了電學(xué)特性。所以，硅（鍺）晶體作為半導(dǎo)體材料，才有這么大的應(yīng)用價值。
二極管、三極管、四極管，是從功能上進行命名。電子管（真空管）、晶體管（硅晶體管、鍺晶體管），是從原理上進行命名。
后來，基于晶體管，電路越做越小，集成在硅這樣的半導(dǎo)體材料上（沒有了電線），才叫集成電路。集成電路越做越小，電路規(guī)模越來越大（大規(guī)模集成電路），就變成了現(xiàn)在路人皆知的芯片。
█ 肖克利的逆襲
巴丁和布拉頓發(fā)明晶體管之后，有一個人的內(nèi)心五味雜陳。這個人，就是肖克利。
肖克利是小組的領(lǐng)導(dǎo)者，也是重要的理論奠基人。但是，他基本上沒有參與巴丁和布拉頓后期關(guān)鍵階段的研究工作。事實上，他曾一度認為，沒有自己的幫助，巴丁和布拉頓不可能取得成功。
被打臉之后，肖克利陷入了一個比較尷尬的局面 —— 他自己認為自己是晶體管發(fā)明人之一，應(yīng)該有權(quán)在專利上署名。而其他的絕大多數(shù)人，都認為肖克利和這個發(fā)明沒有太多直接關(guān)系，不應(yīng)該署名。甚至，在后來申請專利時，團隊還專門向律師提出了一個特別請求：“一定要把肖克利排除在外?！?/p>
為什么會鬧得這么不愉快呢？在這里，小棗君必須說明一下，肖克利的奇特性格。
肖克利是一個科學(xué)天才。在技術(shù)領(lǐng)域，他擁有毋庸置疑的學(xué)識和能力。但是，在為人處事和團隊管理上，他存在極大的不足。按現(xiàn)在的話說，就是“智商很高，情商很低”。
他恃才傲物，脾氣古怪，對待同事和下屬非常尖酸刻薄。因此，很多人都對他唯恐避之不及。能夠和他保持良好關(guān)系的人，寥寥無幾。
人際關(guān)系這么差，加上確實沒參與什么團隊工作，肖克利的專利署名訴求自然得不到大家的支持。甚至貝爾實驗室的高層，還對肖克利提出了警告，給他帶來很大打擊。
憤怒之余，肖克利決定：“既然你們不帶我玩，那我就自己玩?！?/p>
巴丁和布拉頓發(fā)明的晶體管，實際上應(yīng)該叫做點接觸式晶體管。從下圖中也可以看出，這種設(shè)計過于簡陋。雖然它實現(xiàn)了放大功能，但結(jié)構(gòu)脆弱，對外界震動敏感，也不易制造，不具備商業(yè)應(yīng)用的能力。
肖克利看準了這個缺陷，開始閉關(guān)研究新的晶體管設(shè)計。1948 年 1 月 23 日，經(jīng)過一個多月的努力，肖克利提出了一種具有三層結(jié)構(gòu)的新型晶體管模型，并將其名為結(jié)式晶體管（Junction Transistor）。這一年的 6 月 26 日，肖克利如愿獲得了只有自己名字的專利（專利號：US2569347A）。
肖克利的專利一開始是受到廣泛質(zhì)疑的，很多人認為這個模型無法實現(xiàn)。后來，1950 年，肖克利的同事兼好友摩根?斯卡帕斯（Morgan Sparks）和高登?蒂爾合作，經(jīng)過一系列嘗試，成功使用直拉法制作出了 NPN 型晶體管實物，才算給肖克利證名。
這一年的 11 月，肖克利發(fā)表了論述半導(dǎo)體器件原理的著作《半導(dǎo)體中的電子和空穴》，從理論上詳細闡述了結(jié)型晶體管的原理。
1951 年初，結(jié)式晶體管的指標全面超過了點接觸式晶體管。肖克利在晶體管發(fā)明上的貢獻，終于得到了貝爾實驗室上下的一致認可（至少是技術(shù)水平上的認可）。
█ 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)爆發(fā)，研究團隊散伙
晶體管的誕生，對于人類科技發(fā)展擁有極為重要的意義。它擁有電子管的能力，卻克服了電子管的缺點。從它誕生的那一刻，就決定了它將實現(xiàn)對電子管的全面取代。
進入 50 年代，晶體管發(fā)展進入了井噴期。晶體提純技術(shù)、光刻技術(shù)等全面爆發(fā)，可以說是日新月異。
在產(chǎn)業(yè)落地方面，AT&T 旗下的制造部門西方電氣公司很快實現(xiàn)了晶體管的量產(chǎn)。它被廣泛應(yīng)用于電話路由設(shè)備、電路振蕩器、助聽器、電視信號接收器。
1953 年，首批電池式的晶體管收音機投放市場。上市之后，受到人們的熱烈歡迎，銷售火爆。
1954 年，世界上第一臺晶體管計算機 TRADIC 在美國空軍投入使用。其運行功耗不超過 100W，體積不超 1 立方米，相比當年的 ENIAC 有天壤之別。
1954 到 1956 年，全美國共銷售了 1700 萬個鍺晶體管和 1100 萬個硅晶體管，價值約 5500 萬美元。
值得一提的是，最開始，貝爾實驗室是晶體管技術(shù)的專利擁有者，也是技術(shù)的主要掌握者。后來，因為美國反壟斷法的原因，貝爾實驗室將半導(dǎo)體專利主動授權(quán)給其它廠商。這進一步推動了半導(dǎo)體技術(shù)的普及。
1956 年，肖克利、巴丁、布拉頓三人，因發(fā)明晶體管同時榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。
事實上，此時，貝爾實驗室的晶體管創(chuàng)始團隊早已分崩離析。
晶體管研制成功后，因為不爽肖克利的打壓，沃爾特?布拉頓申請調(diào)換了部門，去了別的研究組。
1951 年，約翰?巴丁從貝爾實驗室離職，前往伊利諾伊大學(xué)，成為一名教授。后來，因為自己在超導(dǎo)領(lǐng)域的貢獻，又獲得了一次諾貝爾獎。
1952 年，高登?蒂爾離開，加入了德州儀器，幫助這家企業(yè)成為日后的半導(dǎo)體巨頭。
1954 年，肖克利在貝爾實驗室也待不下去了，跑到加州理工學(xué)院教書。再后來，1956 年，他來到美國西部加利福尼亞州的山景城，在一個名叫 Palo Alto 的小城市（后來是硅谷的一部分），成立了“肖克利半導(dǎo)體實驗室”，開啟了屬于自己的新事業(yè)。
誰也沒想到，若干年后，肖克利的老毛病又犯，逼走了自己的八個徒弟，再次成為孤家寡人。
他的八個徒弟，也就是著名的“八叛徒”。“八叛徒”出走后成立的仙童半導(dǎo)體（Fairchild Semiconductor），不僅開創(chuàng)了世界半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的格局，還改變了人類歷史的走向。（關(guān)于他們的故事，可以看這里：仙童傳奇）
好了，以上就是關(guān)于晶體管誕生的故事。限于篇幅，這篇文章沒有詳細介紹晶體管的技術(shù)細節(jié)，以后再找機會專門介紹吧。
內(nèi)容比較長，感謝大家的耐心閱讀。下期文章，小棗君將給大家講講集成電路的誕生，諾伊斯和基爾比的專利大戰(zhàn)。敬請關(guān)注！
本文來自微信公眾號：鮮棗課堂 （ID：xzclasscom），作者：小棗君
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