晶体管的故事---肖克莱的苦恼

鲍海飞 2013-2-19

晶体管，一种能够对电流或电压放大和控制的器件，是上个世纪所发明的一种最重要的器件，是引领整个信息时代最重要的一种器件，被称作信息时代的‘神经细胞’，不夸张地说，它是现代文明的基石，这里记录的是有关它的一段历史。

学过半导体物理的人都知道肖克莱（W.B.Shockley）这个人，他是结型晶体管(Junction Transistor)的发明人，这种结型晶体管是固态器件中最重要的电子器件，理论上是由W.B.Shockley在1948年一月23日发明的，这项发明连同John. Bardeen和Walter.Brattain的点接触型晶体管的发明，不仅获得了1956年（12月10日）的物理诺贝尔奖，同时由此还带来了一场信息革命的开端。这是继钢铁时代之后，在半导体材料上发生的又一次划时代的革命，这是一个全新信息时代最重要的基石，而基于此的数字时代已然是今天人类活动的主流。今天，几乎在每一个电子产品里面，都有着他们的痕迹和功绩。

这项发明是三个人在贝尔电报实验室Bell Telephone Laboratories(BTL)完成的。不过，这段发明史很有戏剧性。首先是John. Bardeen和Walter.Brattain在1947年12月16日发明了点接触型晶体管(Point contact transistor)，被称之为‘圣诞礼物’。 点接触晶体管即在空间尺度很近的两点上，用两根金属细丝（金）与表面反型的P型（n型锗Ge衬底上）接触构成。而W.B.Shockley的结型晶体管是在其38天之后发明的！事实上，Bardeen和Brattain一直是Shockley研究小组的成员，他们的发明，不仅给整个研究小组带来了喜悦，同时也给贝尔实验室带来了喜悦。身为组长的Shockley自然很高兴，但是随后，Shockley却陷入了深深的苦恼之中。Shockley深深地感觉到自己，虽然是项目的负责人，虽然在研究过程中一直不离左右，但是在这项工作中他却没有做出真正的、实际的贡献。因此，面对他们二人所取得的这么大的成就，他自己感觉内心受到很大冲击和震撼。从下面这一段回忆录中可以看出他内心的忧虑、甚至是彷徨：

“点接触型晶体管发明的数周内，肖克莱被一种复杂的情感折磨着。他认识到Bardeen and Brattain’的发明对贝尔实验室来说是‘伟大的圣诞礼物’，但他感到懊恼的是在这关键的具有突破性的发明中自己却没有扮演一个重要的角色。他在约25年后的一次描述中说：‘团队的成功给我带来了喜悦，但这种喜悦随即却被我不是其中的发明人而冲淡’，我感觉到非常沮丧，我个人在这个领域已经工作八年多了，但却没有做出属于我自己的显著发明和贡献。”

（During the weeks that followed the invention of the point-contact transistor, Shockley was torn by conflicting emotions. Although he recognized that Bardeen and Brattain’s invention had been a ‘‘magnificent Christmas present’’ to Bell Labs, he was chagrined that he had not had a direct role to play in this obviously crucial break-through. ‘‘My elation with the group’s success was tem-pered by not being one of the inventors,’’ he recalled a quarter century later (Shockley, 1976). ‘‘I experienced frustration that my personal efforts, started more than eight years before, had not resulted in a significant in-ventive contribution of my own.’’）

实际上，肖克莱己在这个领域工作有八年的时间了，而Bardeen和Brattain二人的工作只不过有两年的时间而已。但发明的主要贡献者却不是他！其内心的痛楚可想而知。于是，在他们二人发明了点接触晶体管后的38天的时间之内，他没有停滞不前，而是立即着手建立并推倒出了半导体载流子中少数载流子的输运理论和公式，以专利的形式完成了他划时代的发明。因此，他从理论上发明了结型晶体管(Junction transistor)。随后，在1949年，由J.N.Shive在实验上证明了他的设想。

Bardeen和Brattain二人都是著名的物理学家，Bardeen从理论上确定了半导体的‘表面态(surface states)’，而Brattain从实验的角度完成了Bardeen的理论预期结果。因此，这二人珠联璧合，完成了一个跨时代的实验，故而，两人联合署名发表文章（从此可以清楚到看出贝尔实验室的一些管理制度。Bardeen和Brattain在贝尔实验室中，W.Shockley是他们的上级，但是在Bardeen和Brattain发表的文章中却没有W.Shockley的署名。）

此前，人们从来没有想象过这项发明技术会从此给人类带来了一场真正的信息革命的开端。当初，是在二战后，W.Shockley领导的研究队伍在贝尔实验室开始了固态放大器的研究工作。W.B.Shockley他们只是想找出一些别的方法来制备一些体积比较小、质量比较轻的器件，以此来替代当时正在使用的体积个头较大的电子管。因此，W.Shockley在1945年十月请(hired) Bardeen来一起从事研究工作。在1935年到1936年，当Bardeen在哈佛做Junior fellow（类似博士后）时，Shockley即已经和Bardeen相识。W.Shockley是在1936年从麻省理工（MIT）获得物理学博士学位，于1936年九月加入贝尔实验室，Brattain早在1929年即已在贝尔实验室工作了。

不过，作为一个真正的科学家，W.Shockley表现出了他最重要的科学家的品质和素养。Bardeen和Brattain的发明深深地刺痛了他的自尊心，同时又激发了他无限的争强好胜心，在科学上要做出自己真正地贡献，这导致了其重要的发明和创造。由此他提出了凝聚态物理中除了电子以外的导电机制，提出了少子（少数载流子）在半导体中的迁移和注入的作用，建立了双极半导体载流子的输运理路，以及场效应的理论（他不是第一个），由此形成了‘单极’晶体管—即MOS结构的晶体管。

W.Shockley从Bardeen和Brattain二人那里获得了力量，不是嫉恨，而是创作的力量。创造的欲望被激发出来，并在很短的时间内爆发出来，这是多年的潜能、激情被唤醒。他勤于思考又善于思考，具有物深厚的物理和数学功底，他的成功也与其继承了前人的思想是分不开的。

诺贝尔奖虽然光芒四射，但是诺贝尔奖的背后却隐藏着多少辛酸和苦楚，成功属于那些不畏劳苦的人。