晶體管發(fā)明前夕

2017/12/14 13:19:48

■申浩（首都師范大學(xué)物理系）/文
■來(lái)源：《現代物理知識》

在尋找新型材料制作電子器件時(shí)，許多科學(xué)家們想到了半導體晶體材料。那時(shí)，半導體正在取代金屬和絕緣體這兩翼而占據固體物理學(xué)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(zhù)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(fā)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(xué)家貝克勒爾(A. Becquerel)發(fā)現，光照在半導體上不同的位置可以產(chǎn)生電勢差，進(jìn)而發(fā)生電流流動(dòng)。1873 年英國的史密斯(W. Smith)又發(fā)現光可以改變半導體的導電性。再后來(lái)德國的布勞恩(K. Braun)發(fā)現某種情況下輝鉛礦作為半導體只在一個(gè)方向上產(chǎn)生電流，即發(fā)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(fā)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(xué)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(lái)，貝爾實(shí)驗室的巴丁也說(shuō)過(guò)：“除了固有的科學(xué)意義外，選擇半導體作為一個(gè)有希望的領(lǐng)域來(lái)開(kāi)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(cháng)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(fā)明晶體管的理論準備上，量子力學(xué)的理論發(fā)揮了根本性的作用。量子力學(xué)作為一種新的描寫(xiě)微觀(guān)物質(zhì)的物理學(xué)理論，越來(lái)越受到重視，并逐漸發(fā)展成為了原子物理學(xué)、核物理學(xué)及粒子物理學(xué)等相關(guān)學(xué)科的理論基礎。而且，量子力學(xué)的發(fā)展還促進(jìn)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(xué)應用于固體物理的結果，能帶論在研制半導體放大器的過(guò)程中具有重要的指導意義。后來(lái)在1939 年，半導體導電的研究領(lǐng)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(jià)電子移動(dòng)參與導電的過(guò)程，但P型導電卻不是這樣。當半導體中的負電子受熱激發(fā)離開(kāi)原先位置時(shí)會(huì )留下一個(gè)空的位置，這個(gè)空的位置在體系里就顯了正電，這個(gè)顯正電的空位置叫做“空穴”，鄰近的電子會(huì )補充進(jìn)入這個(gè)空穴，這樣鄰近電子在它離開(kāi)的位置又會(huì )生成新的空穴，如此由于電子一直補充，空穴一直移動(dòng)就會(huì )形成正的電流，這種由空穴移動(dòng)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(jìn)了晶體管的發(fā)明。

貝爾實(shí)驗室在確定了大體研究方向后于1936年開(kāi)始召集相關(guān)的精英人才，希望能組成一個(gè)固體物理研究小組。實(shí)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(xué)方面的人才，所以他把目光轉向人才輩出的麻省理工學(xué)院，發(fā)現肖克利是一位很有研究才能的人。當時(shí)肖克利剛畢業(yè)，正是量子力學(xué)逐漸向各個(gè)學(xué)科滲透的年代，他正好想用量子力學(xué)處理固體物理問(wèn)題，于是他加入了小組并在第二年發(fā)起了量子力學(xué)研討會(huì )。小組成員還有布拉頓，他早在1929 年就以明尼蘇達大學(xué)物理學(xué)博士進(jìn)入了貝爾實(shí)驗室，主要研究固體的表面性質(zhì)。1931年，布拉頓參加過(guò)一個(gè)理論物理研究班，學(xué)習到了一些量子力學(xué)的知識，這對他之后的工作很有幫助。小組中還有幾位科學(xué)家，分別是尼克斯、哈德森和沃爾里奇等。小組建成后，發(fā)起人凱利對大家說(shuō)：“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(lái)說(shuō)都是對的�！眲P利的充分發(fā)揮研究人員興趣、特長(cháng)和自由創(chuàng )造性的政策，是后來(lái)晶體管在該實(shí)驗室發(fā)明出來(lái)的重要原因之一。