晶體管發明往事：誤打誤撞，反目成仇，共享諾貝爾獎
晶體管是如何工作的？
發明者自己也不清楚……
這真的沒開玩笑。
這兩天IEEE Spectrum發佈一篇文章，關於晶體管誕生始末，其中披露：當年科學家確實僅僅實現電路定向導通效果，就對外公佈了成果。
甚至十年過去，相關貢獻者已憑此拿下諾貝爾物理獎，圈內研究者仍表示：
更有意思的是，該文章還曝光一段上下級反目的精彩內幕：
兩位下屬申請專利沒帶上領導，後者帶着憤怒和嫉妒，在短短几個月就發明出全新結構，替代前者成果並主導此後30年的晶體管發展。
這究竟是怎樣一段往事？
又如何影響到我們當下生活？
今天不妨結合更多資料，回溯一下。
晶體管誕生前，電子設備廣泛使用的是電子管（也稱真空管）。
其原理髮現始於發明大王愛迪生在1880年一次實驗，他給燈泡多放了一個電極，並灑了些箔片，他發現，在燈泡通電情況下，第三極通正電，箔片並無反應，但第三極通負電時，箔片會漂浮起來。
該現象被歐文・理查森總結爲：
高溫真空環境下，電路陰極會釋放電子到陽極，由此產生電流，反向則不會。這當中，真空環境內分子密度小，相撞產生阻力小得多，電子自然更易運動。
△圖源：engineering.com
此後的1904年，英國科學家約翰・弗萊明依據上述原理，發明了世界上第一個真空二極管，也稱電子管。
進一步，科學家們在陰極陽極之間添加一個柵極，利用同性電荷相斥，改變電子通過柵極流量，能夠起到放大作用。由此，三極管誕生。
△ 圖源：engineering.com
電子管發明後，被廣泛應用於無線電通信、電話、廣播、電視、計算機等領域，僅1929年，產業規模就超過10億美金。人類歷史上第一臺計算機ENIAC中就使用了17468根電子管。
直到20世紀50年代，絕大部分電子設備仍在使用電子管，此外，如果從其他材料及原理角度發明新產品替代它又充滿了風險與不確定性，只有少量技術從業者在該方向探索。
這其中，就包括了美國AT&T貝爾實驗室的威廉・肖克利（William Shockley），這個名字可謂耳熟能詳，還有其手下約翰・巴丁（John Bardeen）和沃爾特・布拉頓（Walter Brattain）。
他們的新發現確實始於一次偶然。
1947年11月，巴丁和布拉頓在實驗中遇到一個奇怪現象：
他們所使用的鍺半導體上，電子錶面層似乎會阻擋施加的電場，不讓其穿透半導體並調節電流。
儘管他們沒弄明白其中原理，但到12月，這二位已摸索到一個實現方案：
由此，就能實現類似電子管的定向導通效果。
△ 圖源：Very-Large-Scale Integration
這是世界上第一枚點接觸式晶體管的原型，鑑於晶體管工作依賴於半導體材料特殊的導通性質，半導體時代也由此拉開帷幕。
△圖源：haverford.edu
儘管當時科學家們未能清晰完整地將背後原理說清，一些教科書直接忽略了點接觸式晶體管介紹，但它的確是史上首個晶體管。
後來，研究者們逐漸揭開其中奧秘。
具體來說，這種晶體管基於拇指大小的N型鍺板構建，其上帶有過量的負電電子，經處理，表面會有一層薄薄的P層，上面帶過量正電荷，底部接地。
與鍺板接觸兩個電極中，一個帶不超過1V正電壓，另一個帶4-40V負電壓，當通電後，電子從負電壓一極流向正極，電流反向流動。反之，如若施加較大正電壓及較小負電壓，那整個系統由於同性電荷相斥，將不導通。
△圖源：engineerguy
相比電子管，點接觸晶體管優勢在於耗能低，無需考慮加熱電極耗散問題，且無需真空環境，器件使用中不易損壞。
當然，相比今天的芯片，它既笨重也簡陋，透着一股廉價觀感。
△ 圖源：AT&T
但當1948年6月30日，貝爾實驗室對外透露了該成果時，它毫無懸念地震動了業界。
很快， AT&T旗下的製造部門Western Electric開始量產這種晶體管，它被廣泛應用於電話路由設備、電路振盪器、助聽器、電視信號接收器。
△ 圖源：AT&T
新發明迅速被應用到了前沿軍事與計算領域。歷史上首臺晶體管計算機誕生於1954年，是美國空軍的機載計算機器Tradic。
其內部大量應用了點觸式晶體管，其運行功耗不超過100w，體積不超1立方米，相比佔地一整個庫房的ENIAC，自然能稱得上「SUPER COMPUTER」。
△ 圖源：wiki
今天我們很少接觸點觸式晶體管，因爲它剛發明就被迅速替代，這當中，跟晶體管發明者巴丁、布拉頓及上司肖克利一段恩怨有關。
由於在申請接觸式晶體管專利中，兩位屬下沒帶上老闆肖克利，他爲此感到不滿並帶着怨念，不到半年時間，他就設計出了全新結構的雙極結型晶體管（BJT）。
BJT原理與點接觸式相同，但結構大不一樣。它自帶兩個PN結，向外有發射極、集電極、基極三個極點。
以NPN結構晶體管爲例，在發射極和基極之間接一個較小電壓，再在基極和集電極之間接一個較大電壓，通電後，少量電子填入中間空穴，更多電子會從低壓的發射極（E極）向集電極（C極）流動。
這樣一來，也就實現了定向放大器功效。
△NPN型 BJT 晶體管 圖源：wiki
從結構就能看出，BJT 晶體管結構簡單，更穩定可靠。
這種設計迅速取代了原先點接觸式晶體管，並佔據主導長達30年，其簡單的結構又爲集成電路誕生奠定了基礎。
直到後來CMOS（金屬氧化物場效應管）的出現，又是一段後話了。
值得留意的是，BJT結構與JFET場效應管看起來相似，都有三極，但兩者原理大有不同。BJT是一種雙極晶體管，當中涉及多數和少數兩路載流子流動，JFET三極爲源極柵極漏極，且是一種單極晶體管。
△典型的獨立BJT封裝，圖源：wiki
晶體管的發明在人類歷史上勢必成爲標誌性事件，1956年的諾貝爾獎頒給了前面所說的三人，讓我們重新回顧一下他們的名字：
威廉・肖克利、約翰・巴丁和沃爾特・布拉頓。
晶體管發明後，布拉頓因與肖克利不和（之前也能看出來），轉而進入貝爾實驗室另一個小組，基於半導體材料表面特性研究晶體管。
1967年，他離開貝爾實驗室，前往惠特曼學院擔任兼職教授，撰寫過多篇固體物理學文章。
值得補充的是，布拉頓父親曾前往中國一傢俬立學校任老師，因而，他的出生地是中國福建省廈門市同安縣，1歲隨父母返美。
巴丁也因與肖克利無法共事，後前往伊利諾大學香檳分校電機學院和物理學院擔任教授，並因超導理論方面的貢獻於1972年第二次獲得諾貝爾物理學獎。
△ 圖源：The Nobel Prize
三人中，肖克利走得更遠，其名字也更爲人熟知。
1956年，他來到加州舊金山的灣區西南部，創立了與自己同名的「肖克利半導體實驗室」，立志將半導體從鍺時代帶入硅時代。
他手下八位員工們後來成爲更具傳奇性的人物，其中包括了仙童、英特爾等企業創始人。
從那時起，硅谷乃至整個IT行業的傳奇被開啓，並延續至今。
參考鏈接：[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor[2]https://zh.m.wikipedia.org/zh/%E7%9C%9F%E7%A9%BA%E7%AE%A1[3]https://spectrum.ieee.org/transistor-history[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Traitorous_eight
— 完 —
量子位 QbitAI · 頭條號簽約
關注我們，第一時間獲知前沿科技動態