13.三条腿的魔术师

我们在第5节中叙述过发现pn结的那段历史，当初（1940年）贝尔实验室的罗素发现两种不同材料因接触而产生整流效应的时候，他还不知道什么“能带论”。是沃尔特•布拉顿给予了这种古怪现象正确的物理解释。但实际上，布拉顿是心灵手巧的实验物理学家，从1929年开始就一直在贝尔实验室工作。

无论如何，pn结的发现引起贝尔实验室的管理阶层对半导体研究的重视，四处挖掘这方面的人才，后来人称‘硅谷之父’的威廉·肖克利便是当他1936年在MIT作博士后时，被新泽西贝尔实验室副主任凯利‘挖’到那儿工作的。

威廉·肖克利（William Schockley, 1910-1989）是生于伦敦的美国人，三岁时随父母定居加州。肖克利以其非凡眼光和远见卓识，认识到半导体材料的光辉未来，他早在1939年就提出“利用半导体而不用真空管的放大器在原则上是可行的”，并积极地开始筹备这方面的研究。

不料，大战爆发，贝尔实验室的许多专家们都被征去当兵，威廉·肖克利也不例外。不过，他当的是雷达部队的军官，整天与大而笨拙的真空电子管雷达设备打交道，从此更加坚定了他研发半导体器件的决心。

当时真空管三极管的主要功能是放大，半导体pn结的整流功能已经被证实，如何做成一个类似真空管三极管那样有放大功能的固体器件呢？各国的科学家们也都一直在努力研究这个难题。在1938年，两个德国科学家波欧（Robert Pohl）和赫希（RudolfHilsch）用一种盐作为半导体，做出了第一个有实验结果的固体放大器。尽管这个实验器件的工作频率只有1赫兹，没有任何实际用途，却增强了肖克利对研发固体三极管的信心。

第二次世界大战结束后，贝尔实验室新组了几个团队，肖克利领导了一个包括布拉顿等人在内的半导体物理研究小组。

认识到在半导体内移动的既有电子，又有空穴，肖克利脑海中产生一个类似‘场效应’的想法：如果像在真空管三极管中那样，也能在半导体内插入二个电极板的话，就有可能通过控制这二个电极板的电压，来影响半导体内电子与空穴的分布，从而改变电流，达到放大的目的。

靠着布拉顿一双灵巧的手，确实将两片平行的金属插进了半导体内，但却非常令人失望，他们没有观察到任何电流被放大的效果。

1945年的十月，巴丁加入到贝尔实验室^【1】肖克利小组，和布拉顿坐在一个办公室里，也参与到这个使人困惑的研究课题中。

巴丁（John Bardeen, 1908-1987）是一个优秀的理论物理学家，普林斯顿大学的数学物理博士。他潜心研究了这个问题，并且发现，电场无法穿越半导体，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，和布拉顿一起朝这个方向去研究。一年多之后，他们终于做出了第一个晶体管。

图13.1：点接触晶体管

从图13.1中看到，第一个点接触晶体管不是那么漂亮，显得原始而笨拙，但这却是一个划时代的发明。

巴丁和布拉顿真可谓珠联璧合，一个是理论天才，一个是实验高手。根据巴丁表面态的理论，不需要像肖克利计划的那样将刀片插进半导体中，而是只需要在晶体的表面下功夫，形成两个位置精确的触点。用半导体做成的第一个器件：猫胡子探测器，不也就是靠着这种‘点接触’的方式而工作的吗？能干的布拉顿反复实验，克服了一个又一个的困难，胜利的曙光似乎就在眼前。

1947年12月16日，巴丁在他的实验日记上，记下了这个特殊的日子。

根据理论的计算，也结合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。如何才能在晶体表面安置两个大约相距只有5×10^-3厘米的触点呢？这一天，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。

根据巴丁在实验日记中所记，他们当时观察到二个触点间的电压增益为100倍的数量级，一个‘三条腿的魔术师’就此诞生了！

这个点接触晶体管发明一周之后，12月23日，‘魔术师’演示的第一个魔术是将自己与其它元件装配起来，组成了一个可用于助听器中的声音放大器，由布拉顿和另一位同事演示给贝尔实验室的专家和领导们看，以得到他们的认可。可能也就是这个原因，有许多文章中将晶体管的诞生日定为这一天。恰好是那年圣诞节的前两天，真是名副其实的、献给人类文明的‘伟大的圣诞节礼物’。

在场的包括当时贝尔实验室研究部主任R·鲍思及多位专家们。遗憾的是，最愿意亲临现场目睹这个助听器魔术表演的贝尔本人，当时已经去世25年之久了。为什么这么说呢？因为贝尔实验室的创办人，亚历山大·贝尔（Alexander Graham Bell，1847-1922年）的母亲和夫人都有听力障碍。贝尔一生的工作：研发电话、创办贝尔实验室等等，都多少与他要发明一个好用的助听器来解决妈妈和老婆听力问题的愿望有关。可是，没有晶体管的发明，贝尔这个愿望是难以实现的，总不能让她们整天吊着一个巨大而又笨重的金属大盒子在耳朵上吧。

助听器的魔术表演也许安慰了贝尔的在天之灵，却刺痛了肖克利的凡夫俗子之心。特别当他发现巴丁和布拉顿的专利申请上没有他的名字时，大大地伤害了他的自尊心。要知道，他是这个课题的领导人，并且，制造一个有放大作用的晶体管，这是他8年多来日思夜想、魂牵梦绕的结果啊。现在，巴丁和布拉顿用两年时间就做出来了，但那也多少是在他的思想的指导之下，怎么能把他排除在外呢？肖克利想到了他一直在努力研究的半导体的‘场效应’。于是，他立刻努力工作，完善了与场效应有关的理论，打算以此而申请专利，但律师告诉他说，尽管还没有做出实物，但早在1925年，朱利叶斯·利林菲尔德就在加拿大申请了场效应的专利。所以弄到最后，肖克利的名字没有在与此发明有关的任何专利上。这使肖克利恼羞成怒，与巴丁及布拉顿两人闹翻了，之后甚至利用行政权力，不让两人参与晶体管的任何后续发展工作。

当然，肖克利毕竟是科学家，深知科学是来不得半点虚假的。赌气泄愤的小人之举后面，独自一人仍旧在暗暗努力，奋发图强。傲慢自大的肖克利立志要证明，只有他才是发明晶体管的真正‘大脑’。他深入研究半导体中的电子和空穴理论，提出利用‘少数载流子’的工作机制。他认识到点接触晶体管是脆弱的、难以制造的、不适于商业化。几年后，肖克利发明了一种全新的、能稳定工作的“结型晶体管”，这是后来BJT（双极性结型晶体管）的前身，BJT应用于模拟电路有它的优势，一直沿用至今。

肖克利后来又到加州开创硅谷，支持优生学，等等，演绎出一个多样化的传奇人生。

1956年，肖克利、巴丁和布拉顿共同获得诺贝尔物理奖。对此，巴丁和布拉顿有些不甘心，但如今从历史角度看待肖克利对半导体领域的贡献，也仍然可算是实至名归了。

参考资料：

Oral History Transcript — JohnBardeen，December 22, 1977

http://www.aip.org/history/ohilist/4146_4.html

"CrystalFIre" by Michael Riordan and Lillian Hoddeson (W. W. Norton and Co.,1997).

http://www.chiphistory.org/exhibits/ex_john_bardeen_transitor_physics/john_bardeen_section2.pdf

"WilliamShockley". IEEE Global History Network. IEEE. Retrieved 18 July 2011.

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