晶體管，到底是誰發明的？

大家新年好，我是小棗君。

春節後的第一篇原創文章，我來填個坑，把年前那篇《什麼是電子管（真空管）》（鍊接）的續集寫完，也就是今天這篇——《什麼是晶體管》。

在上篇文章中，我給大家提到，電子管雖然能夠實現檢波和放大，但是存在很多缺點，例如體積大、故障率高、容易損壞（玻璃管子）、發熱大、能耗高等等。

正因為有這些缺點，專家們一直在思考，是不是有性能更好、缺點更少的元器件，可以取代電子管，支撐電子産業的長遠發展。

想着想着，他們将目光放到了礦石檢波器的身上。

█ 礦石檢波器——世界上最早的半導體器件

礦石檢波器比電子管曆史更加悠久。它利用的，是一些天然礦石（金屬硫化物）的電流單向導通特性（詳見上篇）。

這種特性，其實并不新奇。在很多很多年以前，就已經有人發現了這種特性。

1782年，意大利著名物理學家亞曆山德羅·伏特（Alessandro Volta），經過實驗總結，發現固體物質大緻可以分為三種：

第一種，像金銀銅鐵等這樣的金屬，極易導電，稱為導體；

第二種，像木材、玻璃、陶瓷、雲母等這樣的材料，不易導電，稱為絕緣體；

第三種，介于導體和絕緣體之間，會緩慢放電。

第三種材料的奇葩特性，伏特将其命名為“Semiconducting Nature”，也就是“半導體特性”。這是人類曆史上第一次出現“半導體”這一稱呼。

亞曆山德羅·伏特

後來，陸續有多位科學家，有意或無意中，發現了一些半導體特性現象。例如：

1833年，邁克爾·法拉第（Michael Faraday）發現，硫化銀在溫度升高時，電阻反而會降低（半導體的熱敏特性）。

1839年，法國科學家亞曆山大·貝克勒爾（Alexandre Edmond Becquerel）發現，光照可以使某些材料的兩端産生電勢差（半導體的光伏效應）。

1873年，威勒畢·史密斯（Willoughby Smith）發現，在光線的照射下，硒材料的電導率會增加（半導體的光電導效應）。

這些現象，當時沒有人能夠解釋，也沒有引起太多關注。

1874年，德國科學家卡爾·布勞恩（Karl Ferdinand Braun）發現了前面所說的天然礦石（金屬硫化物）的電流單向導通特性。這是一個巨大的裡程碑。

卡爾·布勞恩

可惜的是，布勞恩并沒有重視這個發現，反而轉去研究陰極射線管（也就是CRT，它是現代顯示技術的基礎）。

後來，海因裡希·赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）成功證實了無線電磁波的存在，布勞恩又轉回無線電的研究。他與馬可尼合作，大幅改進了早期的無線通信系統。兩人共同獲得了1909年的諾貝爾物理學獎。

1906年，美國工程師格林裡夫·惠特勒·皮卡德（Greenleaf Whittier Pickard），基于黃銅礦石晶體，發明了著名的礦石檢波器（crystal detector），也被稱為“貓胡須檢波器”（檢波器上有一根探針，很像貓的胡須，因此得名）。

礦石檢波器

礦石檢波器是人類最早的半導體器件。它的出現，是半導體材料的一次“靈光乍現”。盡管它存在一些缺陷（品控差，工作不穩定，因為礦石純度不高），但有力推動了無線電通信的發展。基于礦石檢波器制造的收音機産品大量普及，極大加強了人類信息的傳遞。

人們使用着礦石檢波器，卻始終想不明白它的工作原理。在此後的30餘年裡，人們反複思考——為什麼會有半導體材料？為什麼半導體材料可以實現單向導電？

早期的時候，很多人甚至懷疑半導體材料是否真的存在。著名物理學家泡利（Pauli）曾經表示：“人們不應該研究半導體，那是一個肮髒的爛攤子，有誰知道是否有半導體的存在。”

█ 量子力學——半導體的理論基石

1904年，世界上第一個電子管（真空管）誕生，标志着人類進入了電子管時代。電子管的崛起，降低了人們對礦石檢波器和半導體技術的關注熱情。

後來，随着量子力學的誕生和發展，半導體的理論研究終于有了突破。

1928年，德國物理學家、量子力學創始人之一，馬克斯·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck），在應用量子力學研究金屬導電問題中，首次提出了固體能帶理論。

量子理論之父，普朗克

他認為，在外電場作用下，半導體導電分為“空穴”參與的導電（即P型導電）和電子參與的導電（即N型導電）。半導體的許多奇異特性，都是由“空穴”和電子所共同決定的。（限于篇幅，詳細技術原理後續再介紹。）

能帶論的出現，第一次從科學角度解釋了，為什麼固體可以分為絕緣體、導體、半導體。

1931年，英國物理學家查爾斯·威爾遜（Charles Thomson Rees Wilson）在能帶論的基礎上，提出半導體的物理模型，奠定了半導體學科的理論基礎。

1939年，蘇聯物理學家А.С.達維多夫（А.С.Давыдов）、英國物理學家内維爾·莫特（Nevill Francis Mott）、德國物理學家華特‧肖特基（Walter Hermann Schottky），紛紛為半導體基礎理論添磚加瓦。達維多夫首先認識到半導體中少數載流子的作用，而肖特基和莫特提出了著名的“擴散理論”。

基于這些大佬們的貢獻，半導體的基礎理論大廈，逐漸奠基完成。

█ 貝爾實驗室——創造奇迹的地方

推動半導體的發展和應用，隻有理論是不夠的，工藝也要跟上。

礦石檢波器誕生之後，科學家們就發現，這款檢波器的性能，和礦石純度有極大的關系。礦石純度越高，檢波器的性能就越好。

因此，很多科學家們進行了礦石材料（例如硫化鉛、硫化銅、氧化銅等）的提純研究，提純工藝不斷精進。

在這裡，我就要提到人類曆史上最偉大的實驗室——貝爾實驗室。

上篇中，我介紹過，美國ATT公司為了建設長途電話網，收購了德·福雷斯特的三極管專利。

後來，因為認識到電子管這類基礎研究的價值，ATT在1925年收購了西方電氣（Western Electric）的研究部門，并在此基礎上，專門成立了“貝爾實驗室”。

貝爾實驗室大樓（1925年）

20世紀30年代，貝爾實驗室的科學家羅素·奧爾（Russell Shoemaker Ohl）提出，使用提純晶體材料制作的檢波器，将會完全取代電子二級管。（要知道，當時電子管處于絕對的市場統治地位。）

羅素·奧爾，他還是現代太陽能電池之父

經過對100多種材料的逐一測試，他認為，矽晶體是制作檢波器的最理想材料。為了驗證自己的結論，他在同事傑克·斯卡夫（Jack Scaff）的幫助下，提煉出了高純度的矽晶體熔合體。

因為貝爾實驗室不具備矽晶體的切割能力，奧爾将這塊熔合體送到珠寶店，切割成不同大小的晶體樣品。沒想到，其中一塊樣品，在光照後，一端表現為正極（positive），另一端表現為負極（negative），奧爾将其分别命名為P區和N區。就這樣，奧爾發明了世界上第一個半導體PN結（p–n junction）。

奧爾的發現，震驚了貝爾實驗室的總監——默文·凱利（Mervin J. Kelly）。

默文·凱利

默文·凱利是半導體發展史上的一個重要人物。1917年，他就加入了ATT，從事電子管的研究。30年代末，電子管研究逐漸進入瓶頸。默文·凱利發現，半導體晶體材料，才是未來的發展方向。

影響默文·凱利的，并不僅僅是奧爾。

1939年9月，二戰爆發。為了合作對抗德國，英國全面加強了和美國的技術合作。其中，英國帶來的一項重要合作課題，就是1935年他們發明的雷達技術。

英國早期的雷達網絡，發揮了巨大作用

雷達技術，其實就是無線電技術的一個延伸。雷達性能的好壞，和電子器件有着密切的關系。當時，電子管是行業主流，但它信噪比差、工作不穩定，又容易壞，所以備受軍方的嫌棄。

二戰期間，ATT旗下的西方電氣公司，基于提純的半導體晶體，制造了一批矽晶體二極管。這些二極管體積小巧、故障率低，大大改善了盟軍雷達系統的工作性能和可靠性。

奧爾的PN結發明，以及矽晶體二極管的優異表現，堅定了默文·凱利發展晶體管技術的決心。他暗下決定，要帶領貝爾實驗室，all in 半導體。

1945年7月，二戰臨近結束。為了适應戰後研究方向的調整，貝爾實驗室進行了各個研究部門的改組。

當時，默文·凱利已經是貝爾實驗室的執行副總裁。在他的推動下，貝爾實驗室成立了3個研究組。其中之一，就是固體物理研究組。

按默文·凱利的設想，固體物理研究組的成立目的，是要在固體物理理論的指導下，“尋找物理和化學方法，以控制構成固體的原子和電子的排列和行為，以産生新的有用的性質”。

說白了，其實就是研制晶體三極管。

固體物理研究組的内部，分為半導體和冶金兩個小組。擔任半導體小組組長的，是來自麻省理工大學的博士，威廉·肖克利（William Shockley）。

威廉·肖克利

肖克利是一個頗具傳奇色彩的人。他1910年2月13日生于英國倫敦，後來考入美國麻省理工學院，學習量子物理。

1936年，肖克利拿到博士學位後，受默文·凱利的專門邀請，加入貝爾實驗室，從事固體物理的研究。1939年，肖克利根據莫特-肖特基的整流理論，結合自己的實驗結果，提出了非常重要的“場效應”理論。

1942年，肖克利曾經短暫離開了貝爾實驗室，加入了軍隊研究所，從事深水炸彈和雷達投彈瞄準器方面的研究工作。

特别值得一提的是，二戰後期，肖克利曾經受美國政府的邀請，做了一份關于進攻日本本土的傷亡評估報告。這個報告，極大影響了後來的美國對日戰略，也間接影響了美國投放原子彈的決定。

二戰結束後，為了表彰肖克利的貢獻，美國政府專門給他頒發了“國家功勳獎章”，這是美國平民所能獲得的最高榮譽勳章。後來，帶着一身榮譽，肖克利又回到了貝爾實驗室。

除了肖克利之外，貝爾實驗室的固體物理研究組還有多位大牛，例如半導體專家皮爾遜（G.L.Pearson）、物理化學家吉布尼（R.B.Gibney）、電子線路專家摩爾（H.R.Moore）、理論物理學家約翰·巴丁（J.Bardeen）、實驗物理學家沃爾特·布拉頓（Walter H. Brattain）。

對了，這個沃爾特·布拉頓，1902年出生于中國廈門（父母都是美國人），1903年返回美國。

沃爾特·布拉頓

一直緻力于矽和鍺晶體提純工藝的半導體專家羅素·奧爾（前文提到的那個）和高登·蒂爾（Gordon Kidd Teal），也支持了固體物理研究組的相關工作。

研究組的早期工作并不順利。在成立後的一年時間裡，他們基于肖克利的理論設想，進行了大量實驗，但是沒有取得什麼成果。

1946年，約翰·巴丁基于肖克利的場效應理論，提出了“表面态”理論，解決了困擾大家許久的問題。

約翰·巴丁

後來，約翰·巴丁和沃爾特·布拉頓一路摸索前進（其中過程極為坎坷曲折）。終于，1947年12月23日，他們做成了世界上第一隻半導體三極管放大器。也就是下面這個看上去非常奇怪且簡陋的東東：

世界上第一個晶體管（基于鍺半導體）

在實驗筆記上，布拉頓按捺住内心的激動，一絲不苟地寫道：“電壓增益100，功率增益40，電流損失1/2.5……”

皮爾遜、摩爾和肖克利等人，在現場觀摩了他們的實驗，并分别在布拉頓的筆記上簽名，以示認同和證明。

在命名時，巴丁和布拉頓認為，這個裝置之所以能夠放大信号，是因為它的電阻變換特性，即信号從“低電阻的輸入”到“高電阻的輸出”。于是，他們将其取名為trans-resistor（轉換電阻）。後來，縮寫為transistor。我國著名科學家錢學森，将其中文譯名定為晶體管。

我歸納一下，半導體特性是一種特殊的導電能力（受外界因素）。具有半導體特性的材料，叫半導體材料。矽和鍺，是典型且重要的半導體材料。

微觀上，按照一定規律排列整齊的物質，叫做晶體。矽晶體就有單晶、多晶、無定型結晶等形态。

晶體形态決定了能帶結構，能帶結構決定了電學特性。所以，矽（鍺）晶體作為半導體材料，才有這麼大的應用價值。

二極管、三極管、四極管，是從功能上進行命名。電子管（真空管）、晶體管（矽晶體管、鍺晶體管），是從原理上進行命名。

後來，基于晶體管，電路越做越小，集成在矽這樣的半導體材料上（沒有了電線），才叫集成電路。集成電路越做越小，電路規模越來越大（大規模集成電路），就變成了現在路人皆知的芯片。

半導體材料，是現代電子工業的支柱

█ 肖克利的逆襲

巴丁和布拉頓發明晶體管之後，有一個人的内心五味雜陳。這個人，就是肖克利。

肖克利是小組的領導者，也是重要的理論奠基人。但是，他基本上沒有參與巴丁和布拉頓後期關鍵階段的研究工作。事實上，他曾一度認為，沒有自己的幫助，巴丁和布拉頓不可能取得成功。

被打臉之後，肖克利陷入了一個比較尴尬的局面——他自己認為自己是晶體管發明人之一，應該有權在專利上署名。而其他的絕大多數人，都認為肖克利和這個發明沒有太多直接關系，不應該署名。甚至，在後來申請專利時，團隊還專門向律師提出了一個特别請求：“一定要把肖克利排除在外。”

為什麼會鬧得這麼不愉快呢？在這裡，小棗君必須說明一下，肖克利的奇特性格。

肖克利

肖克利是一個科學天才。在技術領域，他擁有毋庸置疑的學識和能力。但是，在為人處事和團隊管理上，他存在極大的不足。按現在的話說，就是“智商很高，情商很低”。

他恃才傲物，脾氣古怪，對待同事和下屬非常尖酸刻薄。因此，很多人都對他唯恐避之不及。能夠和他保持良好關系的人，寥寥無幾。

人際關系這麼差，加上确實沒參與什麼團隊工作，肖克利的專利署名訴求自然得不到大家的支持。甚至貝爾實驗室的高層，還對肖克利提出了警告，給他帶來很大打擊。

憤怒之餘，肖克利決定：“既然你們不帶我玩，那我就自己玩。”

巴丁和布拉頓發明的晶體管，實際上應該叫做點接觸式晶體管。從下圖中也可以看出，這種設計過于簡陋。雖然它實現了放大功能，但結構脆弱，對外界震動敏感，也不易制造，不具備商業應用的能力。

肖克利看準了這個缺陷，開始閉關研究新的晶體管設計。1948年1月23日，經過一個多月的努力，肖克利提出了一種具有三層結構的新型晶體管模型，并将其名為結式晶體管（Junction Transistor）。這一年的6月26日，肖克利如願獲得了隻有自己名字的專利（專利号：US2569347A）。

肖克利的專利一開始是受到廣泛質疑的，很多人認為這個模型無法實現。後來，1950年，肖克利的同事兼好友摩根·斯卡帕斯（Morgan Sparks）和高登·蒂爾合作，經過一系列嘗試，成功使用直拉法制作出了NPN型晶體管實物，才算給肖克利證名。

手握晶體管的肖克利

這一年的11月，肖克利發表了論述半導體器件原理的著作《半導體中的電子和空穴》，從理論上詳細闡述了結型晶體管的原理。

1951年初，結式晶體管的指标全面超過了點接觸式晶體管。肖克利在晶體管發明上的貢獻，終于得到了貝爾實驗室上下的一緻認可（至少是技術水平上的認可）。

█ 半導體産業爆發，研究團隊散夥

晶體管的誕生，對于人類科技發展擁有極為重要的意義。它擁有電子管的能力，卻克服了電子管的缺點。從它誕生的那一刻，就決定了它将實現對電子管的全面取代。

進入50年代，晶體管發展進入了井噴期。晶體提純技術、光刻技術等全面爆發，可以說是日新月異。

在産業落地方面，ATT旗下的制造部門西方電氣公司很快實現了晶體管的量産。它被廣泛應用于電話路由設備、電路振蕩器、助聽器、電視信号接收器。

正在生産晶體管的工人

1953年，首批電池式的晶體管收音機投放市場。上市之後，受到人們的熱烈歡迎，銷售火爆。

1954年，世界上第一台晶體管計算機TRADIC在美國空軍投入使用。其運行功耗不超過100W，體積不超1立方米，相比當年的ENIAC有天壤之别。

被譽為超級電腦的TRADIC

1954到1956年，全美國共銷售了1700萬個鍺晶體管和1100萬個矽晶體管，價值約5500萬美元。

值得一提的是，最開始，貝爾實驗室是晶體管技術的專利擁有者，也是技術的主要掌握者。後來，因為美國反壟斷法的原因，貝爾實驗室将半導體專利主動授權給其它廠商。這進一步推動了半導體技術的普及。

後來不斷壯大的晶體管家族

1956年，肖克利、巴丁、布拉頓三人，因發明晶體管同時榮獲諾貝爾物理學獎。

三位大佬，名垂青史

事實上，此時，貝爾實驗室的晶體管創始團隊早已分崩離析。

晶體管研制成功後，因為不爽肖克利的打壓，沃爾特·布拉頓申請調換了部門，去了别的研究組。

1951年，約翰·巴丁從貝爾實驗室離職，前往伊利諾伊大學，成為一名教授。後來，因為自己在超導領域的貢獻，又獲得了一次諾貝爾獎。

1952年，高登·蒂爾離開，加入了德州儀器，幫助這家企業成為日後的半導體巨頭。

1954年，肖克利在貝爾實驗室也待不下去了，跑到加州理工學院教書。再後來，1956年，他來到美國西部加利福尼亞州的山景城，在一個名叫Palo Alto的小城市（後來是矽谷的一部分），成立了“肖克利半導體實驗室”，開啟了屬于自己的新事業。

誰也沒想到，若幹年後，肖克利的老毛病又犯，逼走了自己的八個徒弟，再次成為孤家寡人。

他的八個徒弟，也就是著名的“八叛徒”。“八叛徒”出走後成立的仙童半導體（Fairchild Semiconductor），不僅開創了世界半導體産業的格局，還改變了人類曆史的走向。（關于他們的故事，可以看這裡：仙童傳奇）

“八叛徒”，芯片産業的八位大神

好了，以上就是關于晶體管誕生的故事。限于篇幅，這篇文章沒有詳細介紹晶體管的技術細節，以後再找機會專門介紹吧。

内容比較長，感謝大家的耐心閱讀。下期文章，小棗君将給大家講講集成電路的誕生，諾伊斯和基爾比的專利大戰。敬請關注！

—— 全文完 ——

參考文獻：

1、《半導體簡史》，機械工業出版社，王齊、範淑琴；

2、《電子技術發展的裡程碑——晶體管的發明》，科學24小時；

3、《芯片破壁者：從電子管到晶體管“奇迹”尋蹤》，腦極體；

4、《晶體管發明往事：誤打誤撞，反目成仇，共享諾貝爾獎》，詹士，量子位；

5、《第一塊晶體管背後的故事》，中科大胡不歸；

6、百度百科、維基百科相關詞條。