陳武，教授，博士生導師，IET Fellow，東南大學先進電能變換技術與裝備研究所所長。長期從事大功率電力電子變換及其應用領域的研究工作。主持國家自然科學基金3項、國家重點研發計劃課題1項。研究成果發表SCI/EI論文100余篇，出版專著5部。本文摘自新出版的電力電子綜述和科普專著《尋跡電力電子》一書。

本文摘自新出版的電力電子綜述和科普專著《尋跡電力電子》一書。

一個籬笆三個樁——記晶體三極管的發明

如果單獨選擇一個事件作為半導體登上國際舞臺的標志，那么肯定是1947年底美國貝爾電話實驗室發明了晶體三極管。1943年美國貝爾實驗室建立了一個強大的固體物理研究小組，領導者是威廉·肖克利（William Shockley，物理學家）和兩位未來的諾貝爾獲得者：約翰·巴丁（John Bardeen）和沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）。你可能不知道，布拉頓于1902年出生在我國的福建廈門鼓浪嶼，因為他的父親那時正在一所叫“Ting-Wen Institute”的教會學校任教，1903年布拉頓就回美國了，這樣算起來，這位諾貝爾獎獲得者和我國還是有點淵源的。

隨著理論和實驗方面對半導體性質的逐漸理解，人們逐漸意識到半導體材料中雜質濃度會對其性能產生重要影響（如用于制造芯片的半導體級硅，要求純度高達9N-12N，也就是99.9999999%-99.9999999999%，可能是世界上最純凈的物質了），因此對半導體材料的純化提出了很高要求。純化是用熔化實現的，因此，鍺（Ge，熔點937℃，1885年俄國科學家門捷列夫預言了鍺的存在，并把它稱為“亞硅”，即預測它的性質與硅相近）是第一個成功純化了的半導體，硅（Si，熔點1412℃）的熔化要困難的多，化學活性也高，所以早期的半導體工作大部分都選擇了鍺。當時的放大器都還用真空三極管，又大又笨重損耗也高。因此，開發一個半導體器件替代真空三極管一直是研究人員的追求。項目團隊領導人肖克利十分執著于“場效應晶體管”的概念，即用電場控制半導體的電導率，這種器件包括一薄片半導體材料，旁邊是柵極，利用柵極上的電壓/電場可以強烈地調制半導體材料的電導率，其原理和真空三極管類似（也很容易理解，利用已知原理來開發新的事物，這是順理成章的想法），如圖1所示。但實驗沒有取得成功，于是團隊轉而研究鍺的表面性質，來揭示這個失敗的原因。

(a) 真空三極管

(b) 場效應管

真空三極管與場效應晶體管的比較

第一個顯著的進展是巴丁的“表面態”理論，用于解釋肖克利實驗的失敗原因。無論半導體晶體有多么純凈，表面有雜質原子（如氧原子等），表面的“懸空鍵”可以捕獲自由電子，讓他們牢牢禁錮在表面動彈不得，從而降低了半導體總的電導率。巴丁用這種理論解釋了表面大約每1000個原子有一個雜質原子，就可以把預言的場效應完全屏蔽了。很快，又有一個偶然的發現，他們把一滴液體滴在接觸點上，用這滴液體作為柵極，驚人的事情發生了。這個裝置產生了很大的增益，雖然響應非常慢，頻率不到10Hz，這是由于柵極電解液中離子的遷移率很低限制的。

為了開發有用的放大器，顯然需要用不依賴于離子導電的固體材料替代電解液，接下來的實驗采用了二氧化鍺（GeO2）薄膜，在表面上蒸發了一層金電極作為柵極。但是又一個偶然發生了，在測量前布拉頓清洗樣品時不小心把氧化物薄膜洗掉了，在鍺表面形成了兩個金電極。結果竟然觀察到了頻率高達10kHz的電壓增益，但是沒有功率增益。布拉頓認識到，這是因為柵極太大了，為了提高效率，需要兩個金電極靠得非常近。巴丁通過計算得到，這個間距應該不大于50μm。布拉頓使用了一個巧妙的結構，如圖2所示，在覆蓋著金箔的聚苯乙烯三角形上，他用剃須刀沿著頂端小心的劃了一道縫，再將三角形劃縫的點輕輕地放在鍺上，他們看到了一個奇妙的效果——信號通過一個金觸點進入，并隨著它從另一個觸點出來而增加，第一個點接觸（Point-contact）晶體管已經制成。

圖2 布拉頓制作的第一個點接觸鍺晶體管示意圖

1947年12月24日，平安夜誕生的這個簡陋的裝置，就像上天帶給人類的禮物，在未來的幾十年，改變了整個世界。世界上第一個晶體管成功測試的那天，布拉頓做了實驗筆記，如圖3所示。由于有點潦草，我只能看懂其中的部分內容。以圖3 (a)所示電路進行實驗，得到的實驗效果如圖3 (b)上半部分所示，當Eg有效值為0.015V時，Ep有效值為1.5V，此時電路左側功率為Pg=5.410-7W，右側功率為Pp=2.2510-5W。所以得到電壓增益（voltage gain）為100，功率增益（power gain）為40。這說明了兩個問題，第一是在做實驗中要勤于做筆記；第二是筆記要保存好，說不定哪天你的筆記就成了歷史文物。

(a)

(b)

圖3 布拉頓的實驗室筆記本

1948年6月17號，巴丁和布拉頓申請了“Three-electrode circuit element utilizing semiconductive materials，US2524035”的美國專利，見圖4 (a)，專利申請上竟然沒有項目領導肖克利的名字，而1956年是這三人共同獲得了諾貝爾物理學獎，那肖克利的貢獻在哪呢？

威廉·肖克利在芝加哥的一家酒店獨自度過了1948年的圣誕節，肖克利的一月相當凄涼，他認為他應該因發明晶體管而獲得唯一的榮譽，畢竟最初的研究想法是他提出的。但貝爾實驗室的律師不同意，他們甚至拒絕讓他申請專利（US2524035專利申請上的確沒有他的名字）。肖克利決定，唯一要做的就是發明一個更好的晶體管，做到“人無我有，人有我優”。他認識到點接觸晶體管是脆弱的、難以制造的且不適于商業化。當研究團隊的其他成員興高采烈地改進巴丁和布拉頓的點接觸晶體管時，肖克利專注于自己的想法——從不讓實驗室里的任何人知道他在做什么。肖克利想到了他一直在努力研究的半導體的“場效應”，1948年1月23日，由于睡不著，肖克利一大早就坐在廚房的桌子旁，他突然有了一個啟示，他認為自己有一個改進晶體管的想法，這將是三層三明治結構，兩個最外層的部分是半導體中電多子，而中間層的部分電少子，中間層的作用就像一個水龍頭——當該部分的電壓上下調節時，它可以隨意打開和關閉三明治中的電流。

肖克利沒有告訴任何人他的想法，這個晶體管背后的物理原理與巴丁和布拉頓的點接觸晶體管非常不同，因為它的電流是直接流過半導體塊，而不是沿著表面流動。當然，當時沒有人能確定電流是否能直接流過半導體，于是肖克利找來了兩個團隊成員單獨進行了該實驗而沒有告訴其他人（一方面肖克利可能想在討論這個想法可行性之前對其進行測試，另一方面，也可能他覺得關于點接觸晶體管的想法已經被巴丁和布拉頓“采納”了，不想冒新的想法被別人再“采納”的風險）。1948年2月18日，肖克利得知他的想法的確可以工作，他第一次向團隊其他成員分享了他的三明治晶體管概念（也即大家熟知的結型晶體管）。巴丁和布拉頓對這個消息感到震驚，很明顯，肖克利已經保守這個秘密好幾個星期了。于是，肖克利在1948年6月26日自己單獨申請了“Circuit element utilizing semiconductive material，US2569374”的美國專利。兩種結構的晶體管示意圖如圖4(b)所示，這個圖大家一定對其很熟悉親切，這就是后來雙極性結型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT）的前身，BJT應用于模擬電路有它的優勢，一直沿用至今。

(a) 點接觸晶體管

（US2524035）

(b) 結型晶體管

（US2569374）

圖4 兩種晶體管結構示意圖

1948年7月1號，貝爾實驗室正式對外發布了一個新聞公告“An amazingly simple device, capable of performing efficiently nearly all the functions of an ordinary vacuum tube, was demonstrated for the first time yesterday at Bell Telephone Laboratories where it was invented, known as the Transistor”。至此，貝爾實驗室把這個新器件展示給仍然摸不著頭腦的世界，但很少有人意識到它的重要性，甚至沒有登上報紙的頭版。1951年9月，貝爾實驗室召開了一次晶體管研討會，并將兩種類型的晶體管技術許可給任何支付25000美元費用的人（如德州儀器公司，簡稱TI，1954年研制出了第一個商用的硅晶體管；日本的索尼公司，2.5萬美元在當時是巨款，相當于當時索尼公司資產的10%，但正因此索尼公司開發出了日本第一臺晶體管收音機“TR-55”而一舉成名），這是晶體管產業的開始，它改變了我們的生活方式。

1956年，肖克利、巴丁和布拉頓共同獲得諾貝爾物理獎，以表彰他們對半導體的研究和發現晶體管效應。對此，巴丁和布拉頓有些不甘心，但如今從歷史角度看待肖克利對半導體領域的貢獻，也仍然是實至名歸了。早在1951年，巴丁就因與肖克利不和，離開了貝爾實驗室到伊利諾伊大學香檳分校任教，轉而研究超導問題。1972年，約翰·巴丁、列儂·庫珀、約翰·R·施里弗三人共同榮獲諾貝爾物理學獎。他們的獲獎理由是：1957年共同提出低溫超導理論，即通常所說的BCS理論（B、C、S分別為他們姓氏的第一個字母）。

巴丁也成為唯一一位兩次獲得諾貝爾物理學獎的人。