半导体及晶体管的发明.docx

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1、晶体管的制造美国三位博士制造晶体管1947 年12 月 23日，美国科学家巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士，在导体电路中进展用半导体晶体把声音信号放大的试验时，制造了科技史上具有划时代意义的成果晶体管。因它是在圣诞节前夕制造的，而且对人们将来的生活发生如此巨大的影响， 所以被称为“献给世界的圣诞节礼物”。1947 年12 月 23日，美国泽西州墨累山的贝尔试验室里，3 位科学家巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士在紧急而又有条不紊地做着试验。他们在导体电路中正在进展用半导体晶体把声音信号放大的试验。3 位科学家惊异地觉察，在他们制造的器件中通过的一局部微量电流，竟然可以掌握另一局部流过的大得多的电

2、流，因而产生了放大效应。这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果晶体管。这位科学家因此共同荣获了 1956 年诺贝尔物理学奖。晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。作为主要部件，它准时、普遍地首先在通讯工具方面得到应用，并产生了巨大的经济效益。由于晶体管彻底转变了电子线路的构造，集成电路以及大规模集成电路应运而生，这样制造像高速电子计算机之类的高周密装置就变成了现实。晶体管制造人之一Walter H. Brattain1936 年，在号称“工程师的摇篮”的美国麻省理工学里，一位不速客静静推开了博士生肖克利的房门。来者自报家门，说明他来自贝尔试验室，大名叫做凯

3、利。肖克利吃了一惊，他久闻这位著名物理学家的大名。“小伙子，情愿来贝尔试验室工作吗？”凯利快人快语，毫不掩饰自己来麻省“挖人”的意图。凯利的话使肖克利怦然心动，贝尔试验室在电子学方面开展着世界上规模最大的根底争论，制造专利的注册已达近万项之多。肖克利太情愿到贝尔试验室工作了！毕业后，他毫不迟疑地打点行装，来到了泽西。贝尔试验室里早就有位青年人，似乎在等着肖克利的到来，他的名字叫布拉顿。布 拉顿先后取得过理学硕士和哲学博士学位，从 1929年起就加盟贝尔试验室。两位青年志趣相投，一见如故。肖克利专攻理论物理，布拉顿则擅长试验物理，学问构造相得益彰， 大有相见恨晚的感觉。工作之余，他们也常聚在一起

4、“侃大山”。从贝尔 上的继电器， 到弗莱明、德福雷斯特制造的真空管，但凡涉及到当时电子学中的热门话题无话不谈。直到有一天，肖克利讲到一种“矿石”时，思想碰撞的火花最终引燃了“链式反响”。肖克利感动地对布拉顿说，“有一类晶体矿石被人们称为半导体，比方锗和硅等等， 它们的导电性并不太好，但有一些很奇异的特性，说不定哪天它们会影响到将来电子学的进展方向。”布拉顿心领神会，连连点头称是。假设不是其次次世界大战爆发，肖克利和布拉顿或许更早就“挖掘”到什么“珍宝”，然而，战斗到底降临了，肖克利和布莱顿先后被派往美国海军部从事军事方面的争论，刚刚开头的半导体课题圆满地被战火中断。1945 年，战火硝烟刚刚消

5、散，肖克利一路风尘赶回贝尔，并带来了另一位青年科学家巴丁。肖克利向布拉顿介绍说，巴丁是普林斯顿大学的数学物理博士，擅长固体物理学。巴丁的到来，对肖、布的后续争论如虎添翼，他渊博的学识和固体物理学专长，恰好弥补了肖克利和布拉顿学问构造的缺乏。贝尔试验室快速批准固体物理学争论工程上马，凯利作为决策者在课题任务书上签署了大名。 由肖克利领衔， 布拉顿、巴丁等人组成的半导体小组把目光盯住了那些特别的“矿石”。肖克利首先提出了“场效应”半导体管试验方案，然而首战失利，他们并没有觉察预期的那种放大作用。1947 年的圣诞节马上降临，这天晌午时分，布拉顿和巴丁不约而同地走进试验室。在此之前，由于有巴丁固体外

6、表态理论的指导，他俩几乎接近了成功的边缘。试验说明， 只要将两根金属丝的接触点尽可能地靠近，就可能引起半导体放大电流的效果。但是， 如何才能在晶体外表形成这种小于0.4 毫米的触点呢？ 布拉顿精湛的试验技艺开头大显神威。他平稳地用刀片在三角形金箔上划了一道细痕，恰到好处地将顶角一分为二，分别接上导线，随即准确地压进锗晶体外表的选定部位。电流表的指示清楚地显示出，他们得到了一个有放大作用的电子器件！布拉顿和巴丁兴奋地大喊大叫起来，听见而至的肖克利也为眼前的奇迹感到格外兴奋。布拉顿在笔记本上这样写道：“电压增益 100，功率增益 40试验演示日期 1947年 12 月 23 日下午。”作为见证者，

7、肖克利在这本笔记上严峻地签了名。随着科技的进展，人们对生产的机械在体积上向体积越来越小的方向进展，由于电子管的体积大，而且在移动过程中简洁损坏，越来越多的表现出其的弊端，于是人们开头查找和开发电子管的可替代产品随着后来的晶体管的消灭，已越来越多的机械不再使用电子管晶体管的消灭是人类在电子方面一个大的飞跃早在 30 年月，人们已经尝试着制造固体电子元件但是，当时人们多数是直接用仿照制造真空三极管的方法来制造固体三极管因此这些尝试毫无例外都失败了年 6 月的一天，在美国贝尔试验室的一个房间里，一架样式很一般的收音机正在播放着轻柔的音乐，很多参观者在它面前驻足不前为什么大家都对这台收音机情有独钟呢？

8、 原来这是第一架不用电子管，而代之以一种的固体晶体管元件晶体管的收音机虽然人们对这架收音机显露出深厚的兴趣然而，他们对晶体管本身却不以为然美国纽约先驱论坛报的记者在报道中写道：“这一器件还在试验室阶段，工程师们都认为它在电子工业中的革是有限的”事实上，晶体管制造以后， 在不长的时间内，它的深远影响便很快地显示出来它在电子学领域完成了一场真正的革命什么是晶体管呢？通俗地说，晶体管是半导体做的固体电子元件像金银铜铁等金属， 它们导电性能好，叫做导体木材、玻璃、陶瓷、云母等不易导电，叫做绝缘体导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，就叫半导体晶体管就是用半导体材料制成的这类材料最常见的便是锗和硅两种半导

9、体是 19 世纪末才觉察的一种材料当时人们并没有觉察半导体的价值，也就没有留意半导体的争论直到二次大战中，由于雷达技术的进展，半导体器件微波矿石检波器的应用日趋成熟，在军事上发挥了重要作用，这才引起了人们对半导体的兴趣很多科学家都投入到半导体的深入争论中经过紧急的争论工作，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿三人捷足先登，合作制造了晶体管一种三个支点的半导体固体元件晶体管被人们称为“三条腿的魔术师”它的制造是电子技术史中具有划时代意义的宏大大事，它开创了一个崭的时代固体电子技术时代他们三人也因争论半导体及觉察晶体管效应而共同获得 1956 年最高科学奖诺贝尔物理奖肖克利小组与晶体管美国人威廉肖克利

10、，1910 年2 月 13 日生于伦敦，曾在美国麻省理工学院学习量子物理，1936 年得到该校博士学位后，进入久负盛名的贝尔试验室工作贝尔试验室是 制造人贝尔创立的在电子、特别在通讯领域是最知名气的争论所，号 称“争论王国”早在1936 年，当时的争论部主任，后来的贝尔试验室总裁默文凯利就对肖克利说过，为了适应通讯不断增长的需要，将来肯定会用电子交换取代 系统的机 械转换这段话给肖克利留下了不行磨灭的印象，激起他满腔热忱，把毕生精力投入到 推动电子技术进步的事业中沃尔特布拉顿也是美国人，1902 年2 月 10 日诞生在中国南方秀丽的城市厦门，当时他父亲受聘在中国任教布拉顿是试验专家，1929

11、 年获得明尼苏达大学的博士学位后，进入贝尔争论所从事真空管争论工作温文儒雅的美国人巴丁是一个大学教授的儿子，1908 年在美国威斯康星州的麦迪逊诞生，相继于 1928 年和 1929 年在威斯康星大学获得两个学位后来又转入普林斯顿大学攻读固体物理，1936 年获得博士学位1945 年来到贝尔试验室工作默文凯利是一位颇有远见的科技治理人员他从 30 年月起，就留意查找和承受材料及依据原理工作的电子放大器件在其次次世界大战前后，敏锐的科研洞察力促使他坚决地打算加强半导体的根底争论，以开拓电子技术的领域于是，1945 年夏天，贝尔试验室正式打算以固体物理为主要争论方向，并为此制定了一个浩大的争论打算

12、制造晶体管就是这个打算的一个重要组成局部 1946 年1 月，贝尔试验室的固体物理争论小组正式成立了这个小组以肖克利为首，下辖假设干小组，其中之一包括布拉顿、巴丁在内的半导体小组在这个小组中，活泼着理论物理 学家、试验专家、物理化学家、线路专家、冶金专家、工程师等多学科多方面的人才他们通力合作，既擅长吸取前人的有益阅历，又留意借鉴同时代人的争论成果，博采众家 之长小组内部广泛开展有益的学术探讨“有想法，问题，就召集全组争论，这是习惯”在这样良好的学术环境中，大家都布满热忱，完全沉醉在理论物理领域的争论与探究中开头，布拉顿和巴丁在争论晶体管时，承受的是肖克利提出的场效应概念场效应设想是人们提出的

13、第一个固体放大器的具体方案依据这一方案，他们仿照真空三极管的原理， 试图用外电场掌握半导体内的电子运动但是事与愿违，试验屡屡失败人们得到的效应比预期的要小得多人们困惑了，为什么理论与实际总是冲突的呢？ 问题到底出在那里呢？经过多少个不眠之夜的苦苦思考，巴丁又提出了一种的理论外表态理论这一理论认为外表现象可以引起信号放大效应外表态概念的引入， 使人们对半导体的构造和性质的生疏前进了一大步布拉顿等人乘胜追击，认真细致地进展了一系列试验结果，他们意外地觉察，当把样品和参考电极放在电解液里时，半导体外表内部的电荷层和电势力发生了转变，这不正是肖克利曾经预言过的场效应吗?这个觉察使大家格外兴奋在极度兴奋

14、中，他们加快了争论步伐，利用场效应又反复进展了试验谁知，连续试验中突然发生了与以前截然不同的效应这接踵而至的状况大大出乎试验者的预料人们的思路被打断了，制作有用器件的原打算不能不转变了，渐趋明朗的形势又变得扑朔迷离了然而肖克利小组并没有知难而退他们紧紧循着茫茫迷雾中的一丝光亮，转变思路，连续探究经过屡次地分析、计算、试验，1947 年12 月 23日，人们最终得到了期望已久的“珍宝”这一天，巴丁和布拉顿把两根触丝放在锗半导体晶片的外表上，当两根触丝格外靠近时，放大作用发生了世界第一只固体放大器 晶体管也随之诞生了在这值得庆祝的时刻，布拉顿按捺住内心的感动，仍旧一丝不苟地在试验笔记中写道：“电压

15、增益 100，功率增益 40，电流损失 1/2.5亲眼目睹并亲耳听闻音频的人有吉布尼、摩尔、巴丁、皮尔逊、肖克利、弗莱彻和包文”在布拉顿的笔记上，皮尔逊、摩尔和肖克利等人分别签上了日期和他们的名字表示认同巴丁和布拉顿试验成功的这种晶体管，是金属触丝和半导体的某一点接触，故称点接触晶体管这种晶体管对电流、电压都有放大作用晶体管制造之后基于严谨的科学态度，贝尔试验室并没有马上发表肖克利小组的争论成果他们认为，还需要时间弄清晶体管的效应，以便编写论文和申请专利此后一段时间里，肖克利等人在极度紧急的状态中劳碌地工作着他们心中隐蔽着一丝忧虑假设别人也制造了晶体管并领先公布了，他们的心血就付之东流了他们的

16、担忧绝非多虑，当时很多科学家都在潜心于这一课题的争论1948 年初，在美国物理学会的一次会议上， 柏杜大学的布雷和本泽报告了他们在锗的点接触方面所进展的试验及其觉察当时贝尔试验室制造晶体管的隐秘尚未公开，它的制造人之一 布拉顿此刻就端坐在听众席上布拉顿清楚地意识到布雷等人的试验距离晶体管的制造就差一小步了因此，会后布雷与布拉顿谈天时谈到他们的试验时，布拉顿马上紧急起来他不敢多开口，只让对方讲话，生怕泄密给对方，支吾几句就匆忙忙忙地走开了后来，布雷曾惋惜地说过：“假设把我的电极靠近本泽的电极，我们就会得到晶体管的作用，这是格外明白的”由此可见，当时科学界的竞争是多么的剧烈！实力雄厚的贝尔试验室在

17、这场才智与技能的角逐中，也不过略胜一筹晶体管制造半年以后，在 1948年 6 月 30日，贝尔试验室首次在纽约向公众展现了晶体管这个宏大的制造使很多专家不胜惊异然而，对于它的有用价值，人们大都表示疑心当年7 月 1日的纽约时报只以8 个句子、201 个文字的短讯形式报道了本该震惊世界的这条闻在公众的心目中，晶体管不过是试验室的珍品而已估量只能做助听器之类的小东西，不行能派上什么大用场确实，当时的点接触晶体管同矿石检波器一样，利用触须接点，很不稳定，噪声大，频率低，放大功率小，性能还赶不上电子管，制作又很困难难怪人们对它无动于衷然而，物理学家肖克利等人却坚信晶体管大有前途，它的巨大潜力还没有被人

18、们所生疏于是，在点接触式晶体管制造以后，他们仍旧不遗余力，连续争论又经过一个多月的反复思考，肖克利瘦了，眼中也布满了血丝一个念头却在心中越来越明晰了，那就是以往的争论之所以失败，根本缘由在于人们不顾一切地盲目仿照真空三极管这实际上走入了争论的误区晶体管同电子管产生于完全不同的物理现象，这就示意晶体管效应有其独特之处明白了这一点，肖克利当即打算临时放弃原来追求的场效应晶体管，集中精力实现另一个设想晶体管的放大作用正确的思想最终开出了最美的花朵1948 年11 月，肖克利构思出一种型晶体管，其构造像“三明治”夹心面包那样，把 N 型半导体夹在两层P 型半导体之间这是一个多么富有想象力的设计啊！惋惜

19、的是，由于当时技术条件的限制，争论和试验都格外困难直到1950 年，人们才成功地制造出第一个PN 结型晶体管电子技术进展史上一座里程碑晶体管的消灭，是电子技术之树上开放的一朵绚丽多彩的奇葩同电子管相比，晶体管具有诸多优越性：晶体管的构件是没有消耗的无论多么优良的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而渐渐劣化由于技术上的缘由， 晶体管制作之初也存在同样的问题随着材料制作上的进步以及多方面的改善，晶体管的寿命一般比电子管长 100 到 1000 倍，称得起永久件的美名晶体管消耗电子极少，仅为电子管的格外之一或几格外之一它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自 由电子一台晶体管收音机只要几节干电池就可

20、以半年一年地听下去，这对电子管收音 机来说，是难以做到的晶体管不需预热，一开机就工作例如，晶体管收音机一开 就响，晶体管电视机一开就很快消灭画面电子管设备就做不到这一点开机后，非得 等一会儿才听得到声音，看得到画面明显，在军事、测量、记录等方面，晶体管是格外有优势的晶体管结实牢靠，比电子管牢靠 100 倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管所无法比较的另外，晶体管的体积只有电子管的格外之一到百分之一，放热很少，可 用于设计小型、简单、牢靠的电路晶体管的制造工艺虽然周密，但工序简便，有利于 提高元器件的安装密度正由于晶体管的性能如此优越，晶体管诞生之后，便被广泛地应用于工农业生产、国防建设以及人们日常

21、生活中1953 年，首批电池式的晶体管收音机一投放市场，就受到人们的喧闹欢送，人们争相购置这种收音机接着，各厂家之间又 开放了制造短波晶体管的竞赛此后不久，不需要沟通电源的袖珍“晶体管收音机”开头在世界各地出售，又引起了一个的消费热潮极鳍式场效晶体管:摩尔定律由于硅晶体管适合高温工作，可以抵抗大气影响，在电子工业领域是最受欢送的产品之一从 1967年以来，电子测量装置或者电视摄像机假设不是“晶体管化”的，那么就别想卖出去一件轻松收发机，甚至车载的大型放射机也都晶体管化了另外，晶体管还特别适合用作开关它也是其次代计算机的根本元件人们还常常用硅 晶体管制造红外探测器就连可将太阳能转变为电能的电池

22、太阳能电池也都能用晶体管制造这种电池是游览于太空的人造卫星的必不行少的电源晶体管这种小型简便 的半导体元件还为缝纫机、电钻和荧光灯开拓了电子掌握的途径从 1950年至 1960 年的十年间，世界主要工业国家投入了巨额资金，用于争论、开发与生产晶体管和半导体 器件例如，纯洁的锗或硅半导体，导电性能很差，但参加少量其它元素(称为杂质)后， 导电性能会提高很多但是要想把定量杂质正确地熔入锗或硅中，必需在肯定的温度下， 通过加热等方法才能实现而一旦温度高于摄氏 75 度，晶体管就开头失效为了攻克这一技术难关，美国政府在工业界投资数百万美元，以开展这项技术的研制工作在这 样雄厚的财政资助下，没过多久，人

23、们便把握了这种高熔点材料的提纯、熔炼和集中的 技术特别是晶体管在军事打算和宇宙航行中的威力日益显露出来以后，为争夺电子领 域的优势地位，世界各国开放了剧烈的竞争为实现电子设备的小型化，人们不惜本钱，纷纷给电子工业以巨大的财政资助自从 1904 年弗莱明制造真空二极管，1906 年德福雷斯特制造真空三极管以来，电子学作为一门兴学科快速进展起来但是电子学真正突飞猛进的进步，还应当是从晶体管 制造以后开头的尤其是PN结型晶体管的消灭，开拓了电子器件的*，引起了一场电子技术的革命在短短十余年的时间里，兴的晶体管工业以不行战胜的雄心和年轻人那样无所顾忌的气概，快速取代了电子管工业通过多年奋斗才取得的地位

24、，一跃成为电子 技术领域的排头兵现代电子技术的根底诚然，电子管的制造使电子设备发生了革命性 变化但是电子管体大易碎，费电又不行靠因此，晶体管的问世被誉为本世纪最宏大的制造之一，它解决了电子管存在的大局部问题可是单个晶体管的消灭，仍旧不能满足 电子技术飞速进展的需要随着电子技术应用的不断推广和电子产品进展的日趋简单， 电子设备中应用的电子器件越来越多比方二次世界大战末消灭的 B29轰炸机上装有 1 千个电子管和 1 万多个无线电元件电子计算机就更不用说了1960 年上市的通用型号计算机有 10 万个二极管和 2.5 万个晶体管一个晶体管只能取代一个电子管，极为简单的电子设备中就可能要用上百万个晶

25、体管一个晶体管有 3 条腿，简单一些的设备就可能有数百万个焊接点，稍一不慎，就极有可能消灭故障为确保设备的牢靠性，缩小其 重量和体积，人们迫切需要在电子技术领域来一次的突破1957 年苏联成功地放射了第一颗人造卫星这一震惊世界的消息引起了美国朝野的极大震惊，它严峻挫伤了美国 人的自尊心和优越感，兴旺的空间技术是建立在先进的电子技术根底上的为夺得空间科技的领先地位，美国政府于1958 年成立了国家航空和宇航局，负责军事和宇航争论，为实现电子设备的小型化和轻量化，投入了天文数字的经费就是在这种剧烈的军备竞赛 的刺激下，在已有的晶体管技术的根底上，一种兴技术诞生了，那就是今日大放异彩 的集成电路有了

26、集成电路，计算机、电视机等与人类社会生活亲热相关的设备不仅体 积小了，功能也越来越齐全了，给现代人的工作、学习和消遣带来了极大便利那么， 什么是集成电路呢？集成电路是在一块几平方毫米的极其微小的半导体晶片上，将成千 上万的晶体管、电阻、电容、包括连接线做在一起真正是立锥之地布千军它是材料、元件、晶体管三位一体的有机结合集成电路的问世是离不开晶体管技术的，没有晶体管就不会有集成电路本质上，集成电路是最先进的晶体管外延平面晶体制造工艺的连续集成电路设想的提出，同晶体管亲热相关1952 年，英国皇家雷达争论所的一位著名科学家达默，在一次会议上曾指出：“随着晶体管的消灭和对半导体的全面争论，现在似乎可

27、以想象，将来电子设备是一种没有连接线的固体组件”虽然达默的设想并未付诸实施，但是他为人们的深入争论指明白方向后来，一个叫基尔比的美国人步达默的后尘，走上了争论固体组件这条坎坷的小路基尔比毕业于伊利诺斯大学电机工程系1952 年一个偶然时机，基尔比参与了贝尔试验室的晶体管讲座富于制造性的基尔比一下子就被晶体管这个小东西迷住了当时，他在一家公司负责一项助听器争论打算心系晶体管的基尔比不由自主地想把晶体管用在助听器上，他果真获得了成功他争论出一种简便的方法，将晶体管直接安装在塑料片上，并用陶瓷密封初步的成功使他对晶体管的兴趣与日俱增为寻求更大的进展，基尔比于 1958 年 5月进入得克萨斯仪器公司当

28、时，公司正参与美国通信部队的一项微型组件打算基尔比格外期望能在这一打算中一显身手猛烈的自尊促使他决心凭自己的才智和努力进入这一打算于是，他常常一个人埋头在工厂，思考承受半导体制造整个电路的途径记不清多少次苦苦思考，多少回试验，多少次挫折，经过长时间的孤军奋战，到 1959年，一块集成电路板最终在基尔比的手中诞生了同年 3 月，这一产品被拿到无线电工程师协会上展出得克萨斯公司当时的副总裁谢泼德骄傲地宣布，这是“硅晶体管后得克萨斯仪器公司最重要的开发成果”在晶体管技术根底上快速进展起来的集成电路，带来了微电子技术的突飞猛进微电子技术的不断进步，极大降低了晶体管的本钱，在 1960年，生产 1 只晶体管要花 10 美元，而今日，1 只嵌入集成电路里的晶体管的本钱还不到 1美分这使晶体管的应用更为广泛了不仅如此，微电子技术通过微型化、自动化、计算机化和机器人化，将从根本上转变人类的生活它正在冲击着人类生活的很多方面：劳动生产、家庭、政治、科学、战斗与和平晶闸管 T 在工作过程中，它的阳极 A和阴极 K 与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路， 晶闸管的门极 G 和阴极K 与掌握晶闸管的装置连接，组成晶闸管的掌握电路。