晶體管發明前夕

2017/12/14 13:19:48

■申浩（首都師范大學物理系）/文
■來源：《現代物理知識》

在尋找新型材料制作電子器件時，許多科學家們想到了半導體晶體材料。那時，半導體正在取代金屬和絕緣體這兩翼而占據固體物理學的中心位置，它奇特的性能和已嶄露頭角的應用激起了人們的興趣，期待著它能成為新一代電子器件。

人們對半導體的認識比較早，目前知道的最早可以追溯到法拉第(M. Faraday)，他在1833 年就發現硫化銀的導電性隨溫度升高而增強，當達到最大值后溫度若還升高其導電性就反而下降，這和一般的金屬導體導電性是不一樣的。1839 年法國的科學家貝克勒爾(A. Becquerel)發現，光照在半導體上不同的位置可以產生電勢差，進而發生電流流動。1873 年英國的史密斯(W. Smith)又發現光可以改變半導體的導電性。再后來德國的布勞恩(K. Braun)發現某種情況下輝鉛礦作為半導體只在一個方向上產生電流，即發現了半導體的整流作用，這正是真空管就具有的作用。二戰期間德國又研究了硫屬半導體紅外探測器在軍事上的應用。美國也在研究鍺、硅半導體材料，這兩種材料做成的半導體二極管對微波雷達的發展起了重要作用。因此，半導體材料的應用及其特性的廣泛研究更加堅定了科學家們努力的方向，即加深對固體物理基礎理論知識的研究。后來，貝爾實驗室的巴丁也說過：“除了固有的科學意義外，選擇半導體作為一個有希望的領域來開拓，其重要原因是1945 年前后，半導體在電子器件中已有了許多日益增長的應用，像二極管、變阻器和熱敏電阻等。用半導體做三極管或放
大器是有希望的。”

在發明晶體管的理論準備上，量子力學的理論發揮了根本性的作用。量子力學作為一種新的描寫微觀物質的物理學理論，越來越受到重視，并逐漸發展成為了原子物理學、核物理學及粒子物理學等相關學科的理論基礎。而且，量子力學的發展還促進了固體物理的研究，比如20 世紀30 年代前后，“能帶論”就是將量子力學應用于固體物理的結果，能帶論在研制半導體放大器的過程中具有重要的指導意義。后來在1939 年，半導體導電的研究領域又出現新的理論，即P 型導電和N型導電。N型導電是指半導體中價電子移動參與導電的過程，但P型導電卻不是這樣。當半導體中的負電子受熱激發離開原先位置時會留下一個空的位置，這個空的位置在體系里就顯了正電，這個顯正電的空位置叫做“空穴”，鄰近的電子會補充進入這個空穴，這樣鄰近電子在它離開的位置又會生成新的空穴，如此由于電子一直補充，空穴一直移動就會形成正的電流，這種由空穴移動形成的導電就是P 型導電。由于導電形式不同，半導體也分為了P 型半導體和N型半導體。之后，基于該理論提出的PN 結原理也促進了晶體管的發明。

貝爾實驗室在確定了大體研究方向后于1936年開始召集相關的精英人才，希望能組成一個固體物理研究小組。實驗室研究部指導凱利(J. Kelly)認為，要從半導體中去尋找代替真空管的材料，就有必要聘請固體物理學方面的人才，所以他把目光轉向人才輩出的麻省理工學院，發現肖克利是一位很有研究才能的人。當時肖克利剛畢業，正是量子力學逐漸向各個學科滲透的年代，他正好想用量子力學處理固體物理問題，于是他加入了小組并在第二年發起了量子力學研討會。小組成員還有布拉頓，他早在1929 年就以明尼蘇達大學物理學博士進入了貝爾實驗室，主要研究固體的表面性質。1931年，布拉頓參加過一個理論物理研究班，學習到了一些量子力學的知識，這對他之后的工作很有幫助。小組中還有幾位科學家，分別是尼克斯、哈德森和沃爾里奇等。小組建成后，發起人凱利對大家說：“你們可以做你們喜歡的任何項目，你們要做的任何事情對我來說都是對的。”凱利的充分發揮研究人員興趣、特長和自由創造性的政策，是后來晶體管在該實驗室發明出來的重要原因之一。