摘 要 本文是為紀念 世紀在電子技術方面最偉人的發(fā)明  —晶體管而作。文中回答 晶體管是在什么時候 發(fā)明的, 是由哪些人發(fā)明的, 它的原始結構是什么樣子等問題, 描述了那激動人心的時刻, 回顧了那漫長而曲 折的發(fā)明過程, 追憶了發(fā)明后的形勢發(fā)展, 最后列舉了由此引出的幾點點啟發(fā)。

1 引言

當人類社會進人21 世紀的時刻, 回顧過去一個世紀的重大發(fā)明, 晶本管應該是其中突出的一個。因為它推動r 信息革命, 帶動 產(chǎn)業(yè)革命, 開辟了億萬個就業(yè)崗位, 改變了人類社會工作方式和生活方式, 其影響面之廣泛, 恐非其它發(fā)明所能及。然而當有人問起晶體管是什么時候被發(fā)明的?是由哪些人發(fā)明的? 是如何發(fā)明的? 能正確回答這些問題的人恐怕不是很多〔, 借此機會, 作者不揣淺陋, 將過去的有關資料整理出來向各位老師匯報,并陳述幾點山此得到的啟發(fā)。

2 激動人心的時刻

19 4 7 年12 月2 3 11 , 那是圣誕夜的前一天,威廉肖克利( William Schockley 以后簡稱肖) 把車開到離紐約市20 英里的貝爾實驗室( 以后簡稱貝) 。那時天空陰暗, 才早上7 點, 他匆忙走過空空蕩蕩的走廊, 到達二樓辦公室〔在那里, 他心情激動地等待著他的同事們。因為當天下午他們要向貝的領導演示他們的新發(fā)明 不用電子管的放大器。

大約一小時后, 約翰巴丁( John Bardeen 以后簡稱巴) 和瓦爾特布萊頓(Walter Brattain 以后簡稱布)陸續(xù)來到實驗室。巴進行了一些簡單的 計算, 布和他的助手再一次檢查對那個神秘裝置的接線。布望著窗外連綿的細雨, 心里嘀咕那是吉祥還是災難的預兆。

午餐后, 貝的各方面領導來到實驗室, 其中有固體小組組長肖, 肖的上司、聲學家Fletcher , 貝的研究室主任Bown, 此外還有提供鍺樣品的Gibney，巴布同一個實驗室的Pcarson 負責接線測試的Moore（vege Moore是否就是那個Moore定理的Moore?）

展示在他們l目前的, 除獷常規(guī)的儀器設備如示波器、信號發(fā)生器、變壓器、話筒、耳機、電表、轉換開關之外, 就是被它們圍繞著的那個神秘的裝置。它是由兩邊包著金箔的塑料楔形體, 由彈簧壓在鍺半分體表面上所組成的, 兩邊的金箔分別接信號的輸人端和輸出端, 鍺半導體底部為共同端, 示意圖見圖!

在簡短的介紹之后, 布接通電源和信號,從示波器熒光屏卜顯示的, 經(jīng)放大器前后的波形對比,, lJ 以看到信號是顯著地被放大了。布然后對著話筒隨意講一些話, 戴著耳機的(Bown、臉土認刻露出驚奇的神情。他把耳機傳給了Fletcher, 后者聽 之后不斷地搖頭驚吧這激動人心的情景, 令人回憶起7 0 年前電話的發(fā)明者業(yè)歷山大貝爾在波卜頓住所的閣樓拿著話筒對他的助手說:  華生先生到這哄來, 我需要你’ 的現(xiàn)場、他們似乎預感到, 科學發(fā)展另個新篇章已經(jīng)開始，事后貝為肖巴布二人照一張合影。

3 漫長而曲折的道路

晶體管的發(fā)明有一些偶然性，但絕不是出于某個人的靈機一動，一覺醒來就大功告成的。

早在20世紀30年代，從事電話業(yè)務的企業(yè)就希望能有一種電子器件，希望它具有電子管的功能但卻沒有電子管中的燈絲，因為加熱燈絲不僅消耗能量而且需要加熱時間，這就延長了工作時的啟動過程；再加上燈絲有其一定的壽命，連續(xù)使用一年半載就要更換；此外，燈絲發(fā)出的熱量有時還需要排除。這些缺點給電子設備的設計者、使用者、維修者帶來很多苦惱。對此，軍事部門需求解決的迫切性更為強烈。

有鑒于此，當時貝爾的實驗室主任Kelly根據(jù)19世紀以來關于半導體在光照下能產(chǎn)生電流以及它和金屬接觸能起到整流和檢波作用的現(xiàn)象，認為半導體有希望能取代電子管。為此，要加強對固體物理基礎理論的研究。

從1936年起開始招聘有關的尖端人才，組成研究小組。肖那時和布都是其中的成員，他們共同研究的課題是氧化銅的工作機理。肖想以氧化銅制成三極管，但實驗屢次失敗。1939年貝爾的科學家??Ohl和Scaff制成兩個方向導電性能不同的硅棒，而且用光照射時能產(chǎn)生電流。他們定義一端為P，另一端為N。后來Theuzer發(fā)現(xiàn)，將微量的硼加入溶化的硅中，冷卻后即成為P型半導體；而將微量的磷加入后，即成為N型半導體。當布聽到這個消息時，竟認為他們是瘋子。

1940年Kelly召集布和其他一些人觀看Ohl做的光電效應表演，布看了之后，眼睛睜得大大的，連連搖著頭說：“這簡直不可思議!”因為他化費多年心血研究出來的成果，其電流值還不到人家的1／10。由于第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，肖和布都另有任務，他們的研究課題就擱置下來。與此同時，普渡(Purdue)大學的Horo~tz教授研究小組已提煉出具有相當純度的鍺錠，并認為鍺和硅是具有應用前途的半導體。

隨著歐戰(zhàn)將近結束，肖和布又回到貝爾，那時Kelly已是貝爾的副經(jīng)理，他繼續(xù)推行研究固體物理的方針，于1945年成立固體物理研究小組，由肖任組長。肖上任后做的第一件事就是聘用巴和其他一些科學家；第二件事是整理過去有關半導體方面的文獻；第三件事是到普渡大學調(diào)研，盡可能獲取最新信息，然后提出構成一個半導體三極管的設想。那就是將一片金屬板復蓋在半導體上面，利用金屬與半導體之間的電壓所產(chǎn)生的電場來控制在半導體中通過的電流，這基本上是結型場效應管的工作原理。

不幸的是，布等人進行了多次實驗都沒有成功。肖于是轉而研究其它課題，把這個攤子留給其他人繼續(xù)干。1946年巴分析了失敗的原因，提出了表面狀態(tài)理論。即由于半導體的表面晶體有缺陷，它能捕獲電子，形成對電場的屏蔽，使場效應無法實現(xiàn)。1947年的下半年，他們已經(jīng)采用在金屬與半導體之間加入電解質井在它和半導體之間通電以消除表面狀態(tài)的辦法，使半導體的表面電阻能在一定范圍內(nèi)變化，但還存在沒有電壓增益以及頻率響應只能達到10Hz等缺點。

1947年12月11日，同組的物理化學家Gibney向他們提供一個N型鍺片，上面生成了氧化層(取代電解質)，在氧化層上面又沉淀}5個小金粒(goldspot)。布在金粒上面打二個小洞，用鎢絲穿過小洞和氧化層到達半導體作為一個電極，希望通過改變金粒塊和半導體之間的電壓能改變電極和半導體之間的電阻(或流過半導體的電流)。

布在做實驗時，發(fā)現(xiàn)金粒與半導體之間的電阻很小，二者幾乎形成短路，即氧化層沒有起絕緣的作用。而當布在金粒和鎢絲電極加上負電壓后，發(fā)現(xiàn)沒有輸出信號。在操作過程中，布不小心將鎢絲和金粒短路，將金粒燒毀。

12月12日，布分析失敗的原因，是由于用水沖洗時將氧化層的氧化膜一起沖走．從而造成短路。此時已是周末，到了下周一，12月15日，布決定即使在這種情況下，也值得試一試。他將鎢絲電極移到金粒的旁邊，加上負電壓，而在金粒上加了正電壓，突然間，在輸出端出現(xiàn)了和輸入端變化相反的信號，巴和布立刻意識到一個歷史性的新紀元開始了。初步測試的結果是：電壓放大倍數(shù)為2，上限頻率可達10000Hz，至此，前面所說的兩個缺點都被克服．

此后的幾天，他們把整個實驗裝置改為如圖1所示的形式。在12月23日下午表演時，測得的功率增益為大于18。布在實驗手冊中記錄了當時的情況，見圖3。如果嬰兒的出生時刻以脫離母體的那一瞬間為準，則晶體管的發(fā)明時間應該是1947年12月15日，而12月23日相當于把嬰兒抱給父親看的時間。根據(jù)小組成員對這項工作的貢獻大小，推舉巴和布為發(fā)明人?？紤]肖在發(fā)明前后對晶體管理論的研究成就，肖和巴、布三人共同獲得了1956年諾貝爾物理學獎。

4 發(fā)明以后

1. 晶體管(Transistor)名稱由來

那個“神秘裝置”表演成功后，要給它起個名字．按常規(guī)，這個光榮任務由巴和布來承擔。他們?yōu)榇硕藥讞l原則：第一，字節(jié)不要過長，以2至3個為度，第二，最后兩個字應該是er或or，表示與其它電子元件一致，例如Resistor；第三，要體現(xiàn)它的性能特點。巴和布冥思苦想了好久，始終沒能提出合適的名字。有一天，恰巧以寫科學幻想小說出名的作家Pierce從他們辦公室門口走過，他們急忙把他攔住，說：“你正是我們要找的人并陳述原委之后，Pierce問：“它的特點是什么?”回答是：“和電子管相仿?！庇謫枺骸半娮庸茏钔怀龅男阅苁鞘裁?”回答是：”Transconductance?！盤ierce一拍腦袋說：“那么叫它Transresistor如何?”他們認為這個主意不錯，但字節(jié)太長，于是就把它壓縮成為Transistor。在20世紀50年代我國科學家就按上述三個原則把它譯成“晶體管”，沿用至今。

2. 為什么不急于公布此項發(fā)明？

晶體管發(fā)明后，貝爾并不急于將此消息公開，其原因是：

(1)出于技術儲備策略上的需要，預防競爭對手前來摸底，迎頭趕上；(2)怕軍方知道后，以國防機密為藉口將成果封閉，阻礙了研究工作的進一步開展；(3)在此期間可以進行晶體管應用方面的研究以取得領先的地位。

但是到了1948年初，他們知道普渡大學在晶體管的研究工作將有所突破，怕發(fā)明權被人奪走，于是在1948年6月30日召開記者招待會，宣布了這項消息。但媒體對此事的熱情并不高，第二天的《紐約時報》把它深埋在第46版。

3.發(fā)明之后人員變化

晶體管的發(fā)明是研究小組送給貝爾的最豐盛的圣誕禮物，有關的人無不歡欣鼓舞，然而有一位卻是例外，那就是肖。他自幼即被人稱為天才，從不甘居第二，但在這場戰(zhàn)役中，他作為一組之長，既沒有身先士卒，又沒有親自指揮，沒有被列入發(fā)明家是理所當然的，這使他的自尊心受到很大的打擊。沮喪之余，他又轉回來研究晶體管，但不是和大家一起集中精力開發(fā)巴和布發(fā)明的點接觸式晶體管，而是去研究用PN結代替點接觸，這樣做，在工藝上比較容易實現(xiàn)而且性能也比較穩(wěn)定可靠。

然而他卻不和巴、布交流，背著大家干。這激怒了巴，他一氣之下于1951年到伊利諾大學去任教了；在那里，他研究的超導理論于1972年又獲諾貝爾物理學獎。與此同時，布也悄悄地離開小組到貝爾的其它崗位，而肖提出的場效應管和結型晶體管的研究工作倒也取得很大進展。

看到半導體形勢大好，他于1955年脫離貝爾，1956年在加州硅谷創(chuàng)建了他自己的“肖克利半導體實驗室”，并從貝爾和其它單位招聘了一些杰出的科學家，想大干一場。但因不善經(jīng)營等原因，實驗室于1965年倒閉，他到斯坦福大學去教“量子力學”并研究種族與智力的關系，認為白人就是比黑人優(yōu)秀．以此申請國家科學基金，未獲批準。他于1989年逝世。巴和布從貝爾分手后，還經(jīng)常聯(lián)系，布有時到巴的住所，二人一同去打高爾夫球，重溫當年情誼。布于1987年逝世，巴于1991年逝世。

4.晶體管應用推廣

鑒于晶體管發(fā)明后小組人才不斷流失的情況，貝爾放棄了自己開發(fā)、生產(chǎn)晶體管的設想，而把這項任務通過出售產(chǎn)品許可證的方式轉移給有關企業(yè)。首先得到許可的有：RCA、GE、Philco、Westing—house等8家制造電子管的公司，到1956年，貝爾已從中收入百萬美元，相當于從一開始到1949年的全部研究晶體管的經(jīng)費。

在晶體管的應用方面，1953年首先用于助聽器；1954年德州儀器公司(T1)制成硅三極管并用它制成第一批晶體管收音機，售價49．95美元，不久，這個市場卻被日本索尼(Sony，那時是—個不知名的小公司)所占有。到了1958年至1959年，TI的Kilby和仙童(Fairchitd)的Noyce都提出了制造集成電路的具體工藝措施，Kilby還在國際會議上展出他所制造的集成觸發(fā)器和相移式正弦波振蕩器。至此，由巴和布在1947年點燃的晶體管星星之火，已開始形成燎原之勢。

5 幾點啟發(fā)

1. 從宏觀的角度看，晶體管的發(fā)明是由客觀形勢的需要和科學技術的發(fā)展這兩個主要因素所促成的。古往今來，一項偉大的發(fā)明幾乎都不是憑某個人的心血來潮、一蹴而就的，而是在前人的基礎上，明確方向，經(jīng)歷許多次失敗和挫折，但是敗而不餒，鍥而不舍，再加上一點機遇，最終才取得成功的。晶體管的發(fā)明也正符合這一規(guī)律?，F(xiàn)在有些研究生只希望化最少的精力來獲取最多的成果，這樣恐怕是難以有重大成就的。

2. “機遇垂青于有準備者”。巴和布在實驗中，由于發(fā)生了兩個短路事故和改變了電壓的極性，從而得到信號反相的現(xiàn)象。這在一般人的眼里會被白白放過，而他們正是因為有多次失敗的經(jīng)驗教訓和對放大作用的深刻理解，才能抓住這個機遇，取得成功。此外，他們二人均非平庸之輩，巴畢業(yè)于普林斯頓大學，獲博士學位，是理論物理學家；布畢業(yè)于奧里崗大學和明尼蘇達大學的研究院。是實驗物理學家。他們二人不僅在業(yè)務上體現(xiàn)理論與實際的結合，而且在感情上也非常和睦，周末經(jīng)常一起去打高爾夫球。這些都可以認為是獲得機遇前的準備。

3. 晶體管發(fā)源于貝爾也不是偶然的。首先，他們的各層領導都頗具遠見．深信固體器件要代替電子管，在研究經(jīng)費方面一貫給以支持；其次，他們善于選拔杰出人才，Kelly認為他對發(fā)明晶體管的貢獻是由于找到了肖，肖則認為他的貢獻是聘用了巴，而且發(fā)明時他并不在場；第三，有一系列調(diào)動研究人員積極性的措施，如大方向確定后可以自由選題，領導對具體工作不干涉，并提供良好的圖書、資料、實驗、加工等條件，定期召開學術報告會和討論會，每人輪流報告工作的進展，出成果后寫出的論文，未參加具體工作的領導不署名等等；第四，建立多種學科體系，網(wǎng)羅各方面的杰出人才，促進跨學科交流，鼓勵新學科的發(fā)展，有許多發(fā)明的理論(如反饋理論、信息論)都是由他們提出的。可惜目前貝爾已不存在。

4. 一個事業(yè)的成功與否，不在于是外行領導內(nèi)行還是內(nèi)行領導內(nèi)行，而在于領導者是否善于聽取下屬的意見，能否博采眾長，制訂出合情合理的政策。工作中有了成績不居功，有了缺點不推卸責任。這些雖屬老生常談，但要切實做到也不容易。肖的悲劇就在于他在業(yè)務上是一個天才，所提出的一些理論和設想都基本上是正確的；但他不是一個天才的領導者，他違反了上面所提的原則。當晶體管發(fā)明后，他為了貫徹自己的設想逼走了巴和布；在他后來創(chuàng)辦的企業(yè)里，他以太上皇自居，研究人員的課題都要聽他的指揮，他指示電路設計者用肖克利二極管的負阻效應研制放大器；為了顯示自己的才能，有些市上可以買到的儀器設備，他都要親自動手制造；結果是嚴重挫傷了大家的積極性，人才紛紛外流，企業(yè)隨之倒閉。這是內(nèi)行領導內(nèi)行而失敗的典型例子。

5. 即使是第一流的專家，在新生事物面前也難免保守。越是權威，他的保守思想帶來的危害性也越大。布痛斥提出半導體有P和N兩種類型的人是瘋子，他的錯誤所產(chǎn)生的影響倒不大；但當時蘇聯(lián)的某些權威科學家認為“晶體管的性能不穩(wěn)定，一開窗戶電流就會變，豈能用它？這一句話卻使蘇聯(lián)的半導體器件和計算機工業(yè)至今還處在落后的地位，可見其影響之深遠了。

6. 俗語說：“人過三十五，難有大建樹”。但是，晶體管發(fā)明時，巴、布、肖三人分別是39 歲、45歲、37歲，都已超齡，而巴第二次獲諾貝爾物理學獎所做的超導研究是在他48歲時。因此，年齡不是主要的障礙，只要我們思路正確，刻苦鉆研，敗而不餒，鍥而不 ? 舍，善于抓住機遇，就一定會有所成就。

上述幾點啟示愿與各位老師共勉。

童詩白先生誕辰100周年

為了弘揚童先生師德垂范、澤惠數(shù)代的精神和辛勤耕耘、樂教奉獻的風范，清華大學自動化系將于2020年9月5日上午9點在清華大學主樓接待廳舉行童詩白先生誕辰100周年紀念會暨“天立-童詩白中國自動化教育獎”啟動儀式，并在抖音、快手和微博平臺進行直播。

屆時，學界同仁、童先生的學生和親朋故友、相關院系師生蒞臨現(xiàn)場，共同紀念童先生百年誕辰，見證“天立-童詩白中國自動化教育獎”啟動，弘揚童先生的高尚品德和精神風范。