晶体管发明前夕

2017/12/14 13:19:48

■申浩（首都师范大学物理系）/文
■来源：《现代物理知识》

在寻找新型材料制作电子器件时，许多科学家们想到了半导体晶体材料。那时，半导体正在取代金属和绝缘体这两翼而占据固体物理学的中心位置，它奇特的性能和已崭露头角的应用激起了人们的兴趣，期待着它能成为新一代电子器件。

人们对半导体的认识比较早，目前知道的最早可以追溯到法拉第(M. Faraday)，他在1833 年就发现硫化银的导电性随温度升高而增强，当达到最大值后温度若还升高其导电性就反而下降，这和一般的金属导体导电性是不一样的。1839 年法国的科学家贝克勒尔(A. Becquerel)发现，光照在半导体上不同的位置可以产生电势差，进而发生电流流动。1873 年英国的史密斯(W. Smith)又发现光可以改变半导体的导电性。再后来德国的布劳恩(K. Braun)发现某种情况下辉铅矿作为半导体只在一个方向上产生电流，即发现了半导体的整流作用，这正是真空管就具有的作用。二战期间德国又研究了硫属半导体红外探测器在军事上的应用。美国也在研究锗、硅半导体材料，这两种材料做成的半导体二极管对微波雷达的发展起了重要作用。因此，半导体材料的应用及其特性的广泛研究更加坚定了科学家们努力的方向，即加深对固体物理基础理论知识的研究。后来，贝尔实验室的巴丁也说过：“除了固有的科学意义外，选择半导体作为一个有希望的领域来开拓，其重要原因是1945 年前后，半导体在电子器件中已有了许多日益增长的应用，像二极管、变阻器和热敏电阻等。用半导体做三极管或放
大器是有希望的。”

在发明晶体管的理论准备上，量子力学的理论发挥了根本性的作用。量子力学作为一种新的描写微观物质的物理学理论，越来越受到重视，并逐渐发展成为了原子物理学、核物理学及粒子物理学等相关学科的理论基础。而且，量子力学的发展还促进了固体物理的研究，比如20 世纪30 年代前后，“能带论”就是将量子力学应用于固体物理的结果，能带论在研制半导体放大器的过程中具有重要的指导意义。后来在1939 年，半导体导电的研究领域又出现新的理论，即P 型导电和N型导电。N型导电是指半导体中价电子移动参与导电的过程，但P型导电却不是这样。当半导体中的负电子受热激发离开原先位置时会留下一个空的位置，这个空的位置在体系里就显了正电，这个显正电的空位置叫做“空穴”，邻近的电子会补充进入这个空穴，这样邻近电子在它离开的位置又会生成新的空穴，如此由于电子一直补充，空穴一直移动就会形成正的电流，这种由空穴移动形成的导电就是P 型导电。由于导电形式不同，半导体也分为了P 型半导体和N型半导体。之后，基于该理论提出的PN 结原理也促进了晶体管的发明。

贝尔实验室在确定了大体研究方向后于1936年开始召集相关的精英人才，希望能组成一个固体物理研究小组。实验室研究部指导凯利(J. Kelly)认为，要从半导体中去寻找代替真空管的材料，就有必要聘请固体物理学方面的人才，所以他把目光转向人才辈出的麻省理工学院，发现肖克利是一位很有研究才能的人。当时肖克利刚毕业，正是量子力学逐渐向各个学科渗透的年代，他正好想用量子力学处理固体物理问题，于是他加入了小组并在第二年发起了量子力学研讨会。小组成员还有布拉顿，他早在1929 年就以明尼苏达大学物理学博士进入了贝尔实验室，主要研究固体的表面性质。1931年，布拉顿参加过一个理论物理研究班，学习到了一些量子力学的知识，这对他之后的工作很有帮助。小组中还有几位科学家，分别是尼克斯、哈德森和沃尔里奇等。小组建成后，发起人凯利对大家说：“你们可以做你们喜欢的任何项目，你们要做的任何事情对我来说都是对的。”凯利的充分发挥研究人员兴趣、特长和自由创造性的政策，是后来晶体管在该实验室发明出来的重要原因之一。