25. 晶体管点亮文明之火

       超导体照耀未来世界

图25-1：邮票上的巴丁

著名的诺贝尔奖从1900年开始到2020，已经有了120年的历史，在众多的诺贝尔物理奖得主中，唯有一位物理学家，是得过两次诺贝尔物理学奖的人，但这个人的名字，却鲜为人知，他是：约翰·巴丁（John Bardeen，1908 – 1991），一位美国物理学家！

·诺贝尔奖

巴丁是教授的儿子，但是年轻的巴丁不想像父亲一样成为学者，于是他大学时就读于电机系而非物理系。巴丁毕业时，正值1930年美国经济大萧条时代，他想到AT&T（美国电话电报公司）工作的申请没有通过。巴丁接受了海湾石油公司的聘用，并在那里出色地工作了4年。

尽管他的初衷是偏向实用，但终归还是因为对物理和数学的浓厚兴趣而放弃了工资优厚的工作，到普林斯顿大学攻读物理博士学位。巴丁在普林斯顿师从著名的美国匈牙利裔理论物理学家及数学家尤金·维格纳（Eugene Wigner，1902－1995），完成了自己求知欲望上的追求。

巴丁的两项诺奖成就，都不是物理概念意义上的重大革命，但却导致了（或将导致）对现代文明社会最重要的科学革命：晶体管的发明导致了计算机革命及信息革命；革命性的超导研究如今仍然是物理界的热门课题。

1956年寻常的一天。早上7点，巴丁正在给家人做煎鸡蛋。女儿贝特茜和儿子比尔突然冲进厨房，大喊“爸爸获得了诺贝尔奖”。原来他们刚听到新闻报道，巴丁和过去贝尔实验室的同事肖克利、布拉顿三人，共同获得了1956年诺贝尔物理学奖！听到这一消息，巴丁手里的平底锅，“啪”地掉到了地上，锅里的东西撒了一地。

“我怀疑委员会中的很多人都不确信这项技术（晶体管）值得这个奖。我自己也感到怀疑。”后来，在给朋友的信中，48岁的巴丁如此写道。

这次让巴丁感觉“意料之外”的诺奖是9年前他们发明的世界上第一支晶体管。当时，贝尔实验室的这三名研究人员，担心他们的发现只是偶然成功，经过一周时间的反复验证后才向领导汇报并进行了演示。然而，巴丁不久后便遭到肖克利的排挤，在1951年转到了伊利诺伊大学任教。

那时的巴丁教授，正在紧张地研究他的BCS超导理论，差不多已经到了最后冲刺的阶段。这个理论最后让他赢得了1972年的诺贝尔物理奖。

图25-2：巴丁的两次诺贝尔物理奖

巴丁的这两次诺贝尔奖，第一次主要是技术发明，第二次是基础理论。作为一位物理学家，固然更看重自己的理论功夫。然而，如今看起来，让巴丁荣获第一次诺奖的那个小小的晶体管之发明，对人类文明社会的巨大贡献，怎么说都不过分！

·发明晶体管

二战胜利之后的美国，经济迅速发展。战争中的许多研究成果，包括原子弹、微波、电子等技术的研发，都对工业及各个科学领域有极大的正面影响。引导了美国开展各种产业，形成一股强大的动力，一直延续至今几十年未衰。

前几篇文章中描述的几次物理会议，促成了量子场论（量子电动力学）的建立和发展。与此同时，科学家们不仅关注理论，也重视其实用价值。甚至在战争尚未终止时，美国政府就加强了对半导体材料的研究， 1945年夏天，贝尔实验室正式制定了一个庞大的研究计划，决定以固体物理为主要研究方向。那时候，半导体整流器已经是熟悉的装置，人们希望能用半导体制造晶体管，再组成放大器，以开拓电子技术的新领域。

1945年的十月，巴丁加入到贝尔实验室的肖克利小组，参与到研究开发制造晶体管的项目中。这个小组还有另外两位美国物理学家：课题负责人威廉·肖克利（William Schockley, 1910-1989）和另一位同事沃尔特·布拉顿（Walter Brattain，1902-1987）^【1】。

这三人可谓珠联璧合：肖克利是生于伦敦的美国人，MIT毕业的研究半导体的物理博士，当时已经在PN结研究及策划制造晶体管领域奋斗数年；布拉顿是实验高手；而巴丁是理论天才。

对晶体管的课题，肖克利原来有些想法，但和布拉顿一起进行的几次实验都失败了。擅长理论计算的巴丁潜心研究了这个问题，发现电场无法穿越半导体的原因可能是由于受到金属片屏蔽之故。他进而提出了固体的表面态和表面能级的概念。巴丁猜想半導體物质的表面存在着一种机制，能激发出一种可防止自身被外场贯穿的特殊状态。这些工作涉及到半导体、导线和电解质之间的点接触，小组于是将研究重点改为材料的表面状态。到1946年冬，他们的研究工作向前迈进了一大步，并且也产出了几篇论文^【2，3】。

经过巴丁的再次计算，他们决定制造“点接触晶体管”。从他们多次试验的体会，锗半导体上两根金属丝的接触点靠得越近，就越有可能引起电流的放大。这需要在晶体表面安置两个大约相距只有5×10^-3厘米的触点。

布拉顿有信心克服这最后一道难关，他找来一块三角形的厚塑料版，从尖尖的顶角朝三角形的两边贴上了一片金箔，又小心仔细地用锋利的刀片在顶角的金箔上划了一道细痕，然后，将三角塑料版用弹簧压紧在掺杂后的半导体锗的表面上。最后，再将一分为二的金箔两边分别接上导线，作为发射极和集电极，再加上金属基底引出的基极，总共三条线，将它们分别接到了适当的电源和线路上。

图25-3：点接触晶体管

1947年圣诞节之前的12月16日，他们终于观察到二个触点间的电压增益为100倍的数量级，第一个晶体管就此诞生了！从图25-3中可见，这个划时代的发明“三条腿的魔术师”原始而笨拙，显得不是那么漂亮。

很快地，巴丁和布拉顿与肖克利之间，发生了一些不愉快的纠葛。一个月之后，肖克利自己又发明了一种全新的、能稳定工作的“P-N结型晶体管”。总之，晶体管的发明成为人类微电子革命的先声，也导致三人后来共同获得了1956年诺贝尔物理学奖。但在肖克利对两人研究工作无理的限制和打压下，三人分道扬镳：巴丁1951年接受了伊利诺伊大学香槟分校的教职，转向他很早就想做的超导研究。布拉顿留守贝尔实验室，但转到了另外的部门。再后来，肖克利自己到加州创建硅谷，招聘人才，在硅谷点燃了晶体管发明导致的人类文明之火！

·BCS理论

从1950年开始，巴丁开始考虑超导问题，攀向另一个科学高峰。超导现象指的是一些导体的电阻在温度下降接近绝对零度时会突然消失成为没有电阻的超导体的奇特现象。

众所周知，材料在导电过程中会消耗能量，表现为材料的电阻，电阻越大，消耗能量越多。一般而言，电阻随着环境温度的降低而减小。1911年，荷兰物理学家海克·昂内斯（Heike Onnes，1853年－1926年）发现水银样品以及其他的一些金属，在低温（4K左右）时电阻消失等于0，这被称为超导现象。昂内斯因此而获得1913 年的诺贝尔物理奖。

图25-4：超导基本特性

超导之应用领域包括：医院里的核磁共振成像、加速器、磁悬浮、以及核聚变研究等。低温超导的第一个理论是1935年弗里茨·伦敦和海因茨·伦敦两兄弟提出的伦敦方程。后来，前苏联物理学家朗道和金茨堡，以朗道的二次相变及对称破缺理论为基础，导出了著名的金茨堡-朗道方程，成功地计算出了超导体的许多特性^【4】。朗道因车祸1962年在病房中被授予诺贝尔物理奖，金茨堡也在51年后，于87岁高龄被授予了2003年的诺贝尔物理奖。

巴丁的研究偏向超导现象的微观物理机制。到了伊利诺伊大学香槟分校几年之后，巴丁和利昂·库珀、约翰·施里弗三人提出了以他们名字第一位字母命名的BCS理论^【5】，解释了超导现象的微观机理，之后这个理论被称为是超导现象的常规解释。BCS理论认为：靠晶格振动，即声子的耦合，使自旋和动量都相反的两个电子组成动量为零、总自旋为零的库珀对。电子是费米子，而两个电子组成的库珀对则可以是玻色子，低温下能形成玻色-爱因斯坦凝聚而集聚成超导大电流。学界认为，BSC理论基本解释了低温下的超导现象，三位学者也因此而获得1972年的诺贝尔物理学奖。

电子间的直接相互作用是相互排斥的库伦力。如果仅仅存在库伦力直接作用的话，电子不能形成配对。但BCS理论认为，电子间还存在以晶格振动（声子）为媒介的间接相互作用。电子声子间的这种相互作用在满足一定条件时，可以是相互吸引的，正是这种吸引作用导致了“库珀对”的产生。在很低的温度下，库珀对的结合能可能高于晶格原子振动的能量，这样，电子对将不会和晶格发生能量交换，也就没有了电阻，形成所谓“超导”。

巴丁、库珀和施里弗建立的BCS理论，是解释常规超导体的超导电性的微观理论（所以也常意译为超导的微观理论）^【6】。

参考资料：

【1】张天蓉.《电子，电子!谁来拯救摩尔定律》[M].北京:清华大学出版社，pp.41-60, 2014年11月

【2】Michael Riordan and Lillian Hoddeson. "Crystal FIre". [M]. W. W. Norton and Co. 1997.

【3】John Bardeen. [OL] http://www.chiphistory.org/exhibits/ex_john_bardeen_transitor_physics/john_bardeen_section2.pdf

【4】Ginzburg V L, Landau L D Zh. Eksp. Teor.Fiz. 20 1064 (1950)

[Translated into English, in Landau L D Collected Papers (Oxford: Pergamon Press, 1965) p. 546]

【5】Bardeen, J.; Cooper, L. N.; Schrieffer, J. R. (April 1957). "Microscopic Theory of Superconductivity". Physical Review. 106 (1): 162–164.

【6】Bardeen, J.; Cooper, L. N.; Schrieffer, J. R. (December 1957). "Theory of Superconductivity". Physical Review. 108 (5): 1175–1204.