晶体管，到底是谁发明的

鲜枣课堂
2023-02-02 14:12

大家新年好，我是小枣君。

春节后的第一篇原创文章，我来填个坑，把年前那篇《什么是电子管（真空管）》（链接）的续集写完，也就是今天这篇 ——《什么是晶体管》。

在上篇文章中，我给大家提到，电子管虽然能够实现检波和放大，但是存在很多缺点，例如体积大、故障率高、容易损坏（玻璃管子）、发热大、能耗高等等。

正因为有这些缺点，专家们一直在思考，是不是有性能更好、缺点更少的元器件，可以取代电子管，支撑电子产业的长远发展。

想着想着，他们将目光放到了矿石检波器的身上。

█ 矿石检波器 —— 世界上最早的半导体器件

矿石检波器比电子管历史更加悠久。它利用的，是一些天然矿石（金属硫化物）的电流单向导通特性（详见上篇）。

这种特性，其实并不新奇。在很多很多年以前，就已经有人发现了这种特性。

1782 年，意大利著名物理学家亚历山德罗・伏特（Alessandro Volta），经过实验总结，发现固体物质大致可以分为三种：

第一种，像金银铜铁等这样的金属，极易导电，称为导体；

第二种，像木材、玻璃、陶瓷、云母等这样的材料，不易导电，称为绝缘体；

第三种，介于导体和绝缘体之间，会缓慢放电。

第三种材料的奇葩特性，伏特将其命名为“Semiconducting Nature”，也就是“半导体特性”。这是人类历史上第一次出现“半导体”这一称呼。

亚历山德罗・伏特

后来，陆续有多位科学家，有意或无意中，发现了一些半导体特性现象。例如：

1833 年，迈克尔・法拉第（Michael Faraday）发现，硫化银在温度升高时，电阻反而会降低（半导体的热敏特性）。

1839 年，法国科学家亚历山大・贝克勒尔（Alexandre Edmond Becquerel）发现，光照可以使某些材料的两端产生电势差（半导体的光伏效应）。

1873 年，威勒毕・史密斯（Willoughby Smith）发现，在光线的照射下，硒材料的电导率会增加（半导体的光电导效应）。

……

这些现象，当时没有人能够解释，也没有引起太多关注。

1874 年，德国科学家卡尔・布劳恩（Karl Ferdinand Braun）发现了前面所说的天然矿石（金属硫化物）的电流单向导通特性。这是一个巨大的里程碑。

卡尔・布劳恩

可惜的是，布劳恩并没有重视这个发现，反而转去研究阴极射线管（也就是 CRT，它是现代显示技术的基础）。

后来，海因里希・赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）成功证实了无线电磁波的存在，布劳恩又转回无线电的研究。他与马可尼合作，大幅改进了早期的无线通信系统。两人共同获得了 1909 年的诺贝尔物理学奖。

1906 年，美国工程师格林里夫・惠特勒・皮卡德（Greenleaf Whittier Pickard），基于黄铜矿石晶体，发明了著名的矿石检波器（crystal detector），也被称为“猫胡须检波器”（检波器上有一根探针，很像猫的胡须，因此得名）。

矿石检波器

矿石检波器是人类最早的半导体器件。它的出现，是半导体材料的一次“灵光乍现”。尽管它存在一些缺陷（品控差，工作不稳定，因为矿石纯度不高），但有力推动了无线电通信的发展。基于矿石检波器制造的收音机产品大量普及，极大加强了人类信息的传递。

人们使用着矿石检波器，却始终想不明白它的工作原理。在此后的 30 余年里，人们反复思考 —— 为什么会有半导体材料？为什么半导体材料可以实现单向导电？

早期的时候，很多人甚至怀疑半导体材料是否真的存在。著名物理学家泡利（Pauli）曾经表示：“人们不应该研究半导体，那是一个肮脏的烂摊子，有谁知道是否有半导体的存在。”

█ 量子力学 —— 半导体的理论基石

1904 年，世界上第一个电子管（真空管）诞生，标志着人类进入了电子管时代。电子管的崛起，降低了人们对矿石检波器和半导体技术的关注热情。

后来，随着量子力学的诞生和发展，半导体的理论研究终于有了突破。

1928 年，德国物理学家、量子力学创始人之一，马克斯・普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck），在应用量子力学研究金属导电问题中，首次提出了固体能带理论。

量子理论之父，普朗克

他认为，在外电场作用下，半导体导电分为“空穴”参与的导电（即 P 型导电）和电子参与的导电（即 N 型导电）。半导体的许多奇异特性，都是由“空穴”和电子所共同决定的。（限于篇幅，详细技术原理后续再介绍。）

能带论的出现，第一次从科学角度解释了，为什么固体可以分为绝缘体、导体、半导体。

1931 年，英国物理学家查尔斯・威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson）在能带论的基础上，提出半导体的物理模型，奠定了半导体学科的理论基础。

1939 年，苏联物理学家А.С.达维多夫（А.С.Давыдов）、英国物理学家内维尔・莫特（Nevill Francis Mott）、德国物理学家华特・肖特基（Walter Hermann Schottky），纷纷为半导体基础理论添砖加瓦。达维多夫首先认识到半导体中少数载流子的作用，而肖特基和莫特提出了著名的“扩散理论”。

基于这些大佬们的贡献，半导体的基础理论大厦，逐渐奠基完成。

█ 贝尔实验室 —— 创造奇迹的地方

推动半导体的发展和应用，只有理论是不够的，工艺也要跟上。

矿石检波器诞生之后，科学家们就发现，这款检波器的性能，和矿石纯度有极大的关系。矿石纯度越高，检波器的性能就越好。

因此，很多科学家们进行了矿石材料（例如硫化铅、硫化铜、氧化铜等）的提纯研究，提纯工艺不断精进。

在这里，我就要提到人类历史上最伟大的实验室 —— 贝尔实验室。

上篇中，我介绍过，美国 AT&T 公司为了建设长途电话网，收购了德・福雷斯特的三极管专利。

后来，因为认识到电子管这类基础研究的价值，AT&T 在 1925 年收购了西方电气（Western Electric）的研究部门，并在此基础上，专门成立了“贝尔实验室”。

贝尔实验室大楼（1925 年）

20 世纪 30 年代，贝尔实验室的科学家罗素・奥尔（Russell Shoemaker Ohl）提出，使用提纯晶体材料制作的检波器，将会完全取代电子二级管。（要知道，当时电子管处于绝对的市场统治地位。）

罗素・奥尔，他还是现代太阳能电池之父

经过对 100 多种材料的逐一测试，他认为，硅晶体是制作检波器的最理想材料。为了验证自己的结论，他在同事杰克・斯卡夫（Jack Scaff）的帮助下，提炼出了高纯度的硅晶体熔合体。

因为贝尔实验室不具备硅晶体的切割能力，奥尔将这块熔合体送到珠宝店，切割成不同大小的晶体样品。没想到，其中一块样品，在光照后，一端表现为正极（positive），另一端表现为负极（negative），奥尔将其分别命名为 P 区和 N 区。就这样，奥尔发明了世界上第一个半导体 PN 结（p–n junction）。

奥尔的发现，震惊了贝尔实验室的总监 —— 默文・凯利（Mervin J. Kelly）。

默文・凯利

默文・凯利是半导体发展史上的一个重要人物。1917 年，他就加入了 AT&T，从事电子管的研究。30 年代末，电子管研究逐渐进入瓶颈。默文・凯利发现，半导体晶体材料，才是未来的发展方向。

影响默文・凯利的，并不仅仅是奥尔。

1939 年 9 月，二战爆发。为了合作对抗德国，英国全面加强了和美国的技术合作。其中，英国带来的一项重要合作课题，就是 1935 年他们发明的雷达技术。

英国早期的雷达网络，发挥了巨大作用

雷达技术，其实就是无线电技术的一个延伸。雷达性能的好坏，和电子器件有着密切的关系。当时，电子管是行业主流，但它信噪比差、工作不稳定，又容易坏，所以备受军方的嫌弃。

二战期间，AT&T 旗下的西方电气公司，基于提纯的半导体晶体，制造了一批硅晶体二极管。这些二极管体积小巧、故障率低，大大改善了盟军雷达系统的工作性能和可靠性。

奥尔的 PN 结发明，以及硅晶体二极管的优异表现，坚定了默文・凯利发展晶体管技术的决心。他暗下决定，要带领贝尔实验室，all in 半导体。

1945 年 7 月，二战临近结束。为了适应战后研究方向的调整，贝尔实验室进行了各个研究部门的改组。

当时，默文・凯利已经是贝尔实验室的执行副总裁。在他的推动下，贝尔实验室成立了 3 个研究组。其中之一，就是固体物理研究组。

按默文・凯利的设想，固体物理研究组的成立目的，是要在固体物理理论的指导下，“寻找物理和化学方法，以控制构成固体的原子和电子的排列和行为，以产生新的有用的性质”。

说白了，其实就是研制晶体三极管。

固体物理研究组的内部，分为半导体和冶金两个小组。担任半导体小组组长的，是来自麻省理工大学的博士，威廉・肖克利（William Shockley）。

威廉・肖克利

肖克利是一个颇具传奇色彩的人。他 1910 年 2 月 13 日生于英国伦敦，后来考入美国麻省理工学院，学习量子物理。

1936 年，肖克利拿到博士学位后，受默文・凯利的专门邀请，加入贝尔实验室，从事固体物理的研究。1939 年，肖克利根据莫特-肖特基的整流理论，结合自己的实验结果，提出了非常重要的“场效应”理论。

1942 年，肖克利曾经短暂离开了贝尔实验室，加入了军队研究所，从事深水炸弹和雷达投弹瞄准器方面的研究工作。

特别值得一提的是，二战后期，肖克利曾经受美国政府的邀请，做了一份关于进攻日本本土的伤亡评估报告。这个报告，极大影响了后来的美国对日战略，也间接影响了美国投放原子弹的决定。

二战结束后，为了表彰肖克利的贡献，美国政府专门给他颁发了“国家功勋奖章”，这是美国平民所能获得的最高荣誉勋章。后来，带着一身荣誉，肖克利又回到了贝尔实验室。

除了肖克利之外，贝尔实验室的固体物理研究组还有多位大牛，例如半导体专家皮尔逊（G.L.Pearson）、物理化学家吉布尼（R.B.Gibney）、电子线路专家摩尔（H.R.Moore）、理论物理学家约翰・巴丁（J.Bardeen）、实验物理学家沃尔特・布拉顿（Walter H. Brattain）。

对了，这个沃尔特・布拉顿，1902 年出生于中国厦门（父母都是美国人），1903 年返回美国。

沃尔特・布拉顿

一直致力于硅和锗晶体提纯工艺的半导体专家罗素・奥尔（前文提到的那个）和高登・蒂尔（Gordon Kidd Teal），也支持了固体物理研究组的相关工作。

研究组的早期工作并不顺利。在成立后的一年时间里，他们基于肖克利的理论设想，进行了大量实验，但是没有取得什么成果。

1946 年，约翰・巴丁基于肖克利的场效应理论，提出了“表面态”理论，解决了困扰大家许久的问题。

约翰・巴丁

后来，约翰・巴丁和沃尔特・布拉顿一路摸索前进（其中过程极为坎坷曲折）。终于，1947 年 12 月 23 日，他们做成了世界上第一只半导体三极管放大器。也就是下面这个看上去非常奇怪且简陋的东东：

世界上第一个晶体管（基于锗半导体）

在实验笔记上，布拉顿按捺住内心的激动，一丝不苟地写道：“电压增益 100，功率增益 40，电流损失 1/2.5……”

皮尔逊、摩尔和肖克利等人，在现场观摩了他们的实验，并分别在布拉顿的笔记上签名，以示认同和证明。

在命名时，巴丁和布拉顿认为，这个装置之所以能够放大信号，是因为它的电阻变换特性，即信号从“低电阻的输入”到“高电阻的输出”。于是，他们将其取名为 trans-resistor（转换电阻）。后来，缩写为 transistor。我国著名科学家钱学森，将其中文译名定为晶体管。

我归纳一下，半导体特性是一种特殊的导电能力（受外界因素）。具有半导体特性的材料，叫半导体材料。硅和锗，是典型且重要的半导体材料。

微观上，按照一定规律排列整齐的物质，叫做晶体。硅晶体就有单晶、多晶、无定型结晶等形态。

晶体形态决定了能带结构，能带结构决定了电学特性。所以，硅（锗）晶体作为半导体材料，才有这么大的应用价值。

二极管、三极管、四极管，是从功能上进行命名。电子管（真空管）、晶体管（硅晶体管、锗晶体管），是从原理上进行命名。

后来，基于晶体管，电路越做越小，集成在硅这样的半导体材料上（没有了电线），才叫集成电路。集成电路越做越小，电路规模越来越大（大规模集成电路），就变成了现在路人皆知的芯片。

半导体材料，是现代电子工业的支柱

█ 肖克利的逆袭

巴丁和布拉顿发明晶体管之后，有一个人的内心五味杂陈。这个人，就是肖克利。

肖克利是小组的领导者，也是重要的理论奠基人。但是，他基本上没有参与巴丁和布拉顿后期关键阶段的研究工作。事实上，他曾一度认为，没有自己的帮助，巴丁和布拉顿不可能取得成功。

被打脸之后，肖克利陷入了一个比较尴尬的局面 —— 他自己认为自己是晶体管发明人之一，应该有权在专利上署名。而其他的绝大多数人，都认为肖克利和这个发明没有太多直接关系，不应该署名。甚至，在后来申请专利时，团队还专门向律师提出了一个特别请求：“一定要把肖克利排除在外。”

为什么会闹得这么不愉快呢？在这里，小枣君必须说明一下，肖克利的奇特性格。

肖克利

肖克利是一个科学天才。在技术领域，他拥有毋庸置疑的学识和能力。但是，在为人处事和团队管理上，他存在极大的不足。按现在的话说，就是“智商很高，情商很低”。

他恃才傲物，脾气古怪，对待同事和下属非常尖酸刻薄。因此，很多人都对他唯恐避之不及。能够和他保持良好关系的人，寥寥无几。

人际关系这么差，加上确实没参与什么团队工作，肖克利的专利署名诉求自然得不到大家的支持。甚至贝尔实验室的高层，还对肖克利提出了警告，给他带来很大打击。

愤怒之余，肖克利决定：“既然你们不带我玩，那我就自己玩。”

巴丁和布拉顿发明的晶体管，实际上应该叫做点接触式晶体管。从下图中也可以看出，这种设计过于简陋。虽然它实现了放大功能，但结构脆弱，对外界震动敏感，也不易制造，不具备商业应用的能力。

肖克利看准了这个缺陷，开始闭关研究新的晶体管设计。1948 年 1 月 23 日，经过一个多月的努力，肖克利提出了一种具有三层结构的新型晶体管模型，并将其名为结式晶体管（Junction Transistor）。这一年的 6 月 26 日，肖克利如愿获得了只有自己名字的专利（专利号：US2569347A）。

肖克利的专利一开始是受到广泛质疑的，很多人认为这个模型无法实现。后来，1950 年，肖克利的同事兼好友摩根・斯卡帕斯（Morgan Sparks）和高登・蒂尔合作，经过一系列尝试，成功使用直拉法制作出了 NPN 型晶体管实物，才算给肖克利证名。