晶体管发明往事：误打误撞，反目成仇，共享诺贝尔奖

晶体管是如何工作的。

发明者自己也不知道...

这可不是闹着玩的。

前两天，IEEE Spectrum发表了一篇关于晶体管始末的文章，文章透露:当年，科学家只是实现了电路的定向导通效应，并向公众公布了结果。

即使十年后，相关贡献者已获诺贝尔物理学奖，圈内研究人员仍说:

由于该装置的三维特征，仍然难以从理论上分析其内部。

更有趣的是，文章还曝光了一个上下级冲突的精彩内幕:

两个下属在没有领导的情况下申请专利后者带着愤怒和嫉妒，在短短几个月内发明了一种新的结构，取代了前者的成就，引领了接下来30年的晶体管发展

这是什么样的往事。

对我们现在的生活有什么影响。

让我们今天带着更多的信息回去。

点接触晶体管到BJT

在晶体管诞生之前，电子管广泛应用于电子设备中。

伟大的发明家爱迪生在1880年的一次实验中发现了它的原理他在灯泡上加了一个电极，并撒了一些箔片他发现，当灯泡通电时，箔片在世界屋脊通电时没有反应，但当世界屋脊通电时，箔片会浮动

这种现象被欧文·理查森总结为:

在高温环境下，电路的阴极会向阳极释放电子，产生电流，但不会反方向其中，真空环境下的分子密度小，碰撞产生的阻力小很多，电子自然更容易运动

接着在1904年，英国科学家约翰·弗莱明根据上述原理发明了世界上第一个真空二极管，也叫电子管。

此外，科学家在阴极和阳极之间添加了一个网格，通过使用同行电荷相互排斥，并改变通过网格的电子流，可以放大该网格于是，三极管诞生了

直到20世纪50年代，大多数电子设备仍在使用电子管此外，如果从其他材料和原理的角度发明新产品来替代它们，那将充满风险和不确定性，只有少数技术从业者会朝这个方向探索

其中包括美国ATamp贝尔实验室的威廉·肖克利，他的名字很熟悉，还有他的下属约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿。

他们的新发现确实是从一次事故开始的。

1947年11月，巴丁和布拉顿在实验中遇到了一个奇怪的现象:

在他们使用的锗半导体上，电子表面层似乎可以阻挡施加的电场，防止它穿透半导体并调节电流。

尽管他们不明白其中的原理，但到了12月，两人已经摸索出了一个实施方案:

两片间距极小的金箔固定在一个塑料三角上，三角上连接着一个弹簧，下面放着半导体锗两片金箔用作两个电极，与半导体材料轻微接触

因此，可以实现类似于电子管的定向传导效果。

这是世界上第一个点接触晶体管的原型，由于晶体管的运行依赖于半导体材料的特殊导电特性，半导体时代也开始了。

当时的科学家虽然没能把原理解释清楚完整，有的教科书直接忽略了点接触晶体管的介绍，但它确实是历史上第一个晶体管。

后来，研究人员逐渐揭开了谜底。

具体来说，这种晶体管是基于拇指大小的N型锗板构建的，具有过量的负电子处理后表面会有一层薄薄的P层，上面带过多的正电荷，下面接地

与锗板接触的两个电极中的一个具有不超过1V的正电压，另一个具有4—40V的负电压电流通电时，电子从负电压极流向正电极，电流反向流动另一方面，如果施加较大的正电压和较小的负电压，由于相同电荷的排斥，整个系统将不导电

与电子管相比，点接触晶体管具有能耗低，无需考虑加热电极的散热，无需真空环境等优点，因此器件在使用中不易损坏。

当然，与今天的芯片相比，它既笨重又粗糙，呈现出廉价的外观和感觉。

可是，1948年6月30日，当贝尔实验室披露这一成果时，毫无悬念地震动了业界。

这项新发明很快被应用到前沿军事和计算领域历史上第一台晶体管计算机诞生于1954年，这就是美国空军的机载计算机Tradic

其中使用了大量的触摸晶体管，其运行功耗小于100w，体积小于1立方米与占了一整个仓库的ENIAC相比，自然可以称之为超级计算机

今天我们已经很少接触触摸式晶体管了，因为它一发明出来就被迅速取代了其中，与晶体管发明家巴丁，布拉顿和他们的老板肖克利之间的世仇有关

因为这两个下属在申请接触晶体管的专利时没有带他们的上司肖克利一起来，他感到不满和怨恨不到半年，他就设计出了一种新结构的双极结型晶体管

BJT的原理和点接触一样，但是它的结构很不一样它带有两个PN结，三个极向外:发射极，集电极和基极

以NPN结构的晶体管为例发射极和基极之间接一个小电压，然后基极和集电极之间接一个大电压通电后，会有少量电子填充中间空穴，更多的电子从低压发射极流向集电极

因此，实现了定向放大效果。

从结构上可以看出，BJT晶体管结构简单，更加稳定可靠。

这种设计很快取代了最初的点接触晶体管，并统治了30年其简单的结构为集成电路的诞生奠定了基础

直到CMOS的出现，都是后话了。

值得注意的是，BJT结构类似于JFET FET，都是三极，但原理却大不相同BJT是一个双极晶体管，它包括多数载流子和少数载流子的流动JFET三极管是源极，栅极和漏极，它是一个单极晶体管

晶体管的发明必将成为人类历史上的一个里程碑事件1956年的诺贝尔奖颁给了前述三人

威廉，约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿。

晶体管发明后，由于与肖克利意见不合，布拉顿转向贝尔实验室的另一个小组，根据半导体材料的表面特性研究晶体管。

1967年，他离开贝尔实验室，去惠特曼学院当兼职教授，写了许多关于固体物理学的文章。

值得补充的是，布拉顿的父亲在中国一所私立学校当老师，所以他出生在中国福建省厦门市同安县，一岁时随父母回到美国。

巴丁无法与肖克利共事，随后去了伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校的电气工程与物理学院担任教授因对超导理论的贡献，他于1972年第二次获得诺贝尔物理学奖

在这三人中，肖克利走得更远，他的名字也更广为人知。

1956年，他来到加州旧金山湾区的西南部，创立了以自己名字命名的肖克利半导体实验室，决心将半导体从锗时代带入硅时代。

他的8名员工后来成为更具传奇色彩的人物，包括仙童，英特尔等创始人。

从此开启了硅谷乃至整个IT行业的传奇，并延续至今。

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