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
■來源：《現(xiàn)代物理知識》

在尋找新型材料制作電子器件時，許多科學(xué)家們想到了半導(dǎo)體晶體材料。那時，半導(dǎo)體正在取代金屬和絕緣體這兩翼而占據(jù)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(yīng)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(dǎo)體的認(rèn)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(xiàn)硫化銀的導(dǎo)電性隨溫度升高而增強，當(dāng)達(dá)到最大值后溫度若還升高其導(dǎo)電性就反而下降，這和一般的金屬導(dǎo)體導(dǎo)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(xiàn)，光照在半導(dǎo)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。1873 年英國的史密斯(W. Smith)又發(fā)現(xiàn)光可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。再后來德國的布勞恩(K. Braun)發(fā)現(xiàn)某種情況下輝鉛礦作為半導(dǎo)體只在一個方向上產(chǎn)生電流，即發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體的整流作用，這正是真空管就具有的作用。二戰(zhàn)期間德國又研究了硫?qū)侔雽?dǎo)體紅外探測器在軍事上的應(yīng)用。美國也在研究鍺、硅半導(dǎo)體材料，這兩種材料做成的半導(dǎo)體二極管對微波雷達(dá)的發(fā)展起了重要作用。因此，半導(dǎo)體材料的應(yīng)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(chǔ)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(xué)意義外，選擇半導(dǎo)體作為一個有希望的領(lǐng)域來開拓，其重要原因是1945 年前后，半導(dǎo)體在電子器件中已有了許多日益增長的應(yīng)用，像二極管、變阻器和熱敏電阻等。用半導(dǎo)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(zhǔn)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)作為一種新的描寫微觀物質(zhì)的物理學(xué)理論，越來越受到重視，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(chǔ)。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(jì)30 年代前后，“能帶論”就是將量子力學(xué)應(yīng)用于固體物理的結(jié)果，能帶論在研制半導(dǎo)體放大器的過程中具有重要的指導(dǎo)意義。后來在1939 年，半導(dǎo)體導(dǎo)電的研究領(lǐng)域又出現(xiàn)新的理論，即P 型導(dǎo)電和N型導(dǎo)電。N型導(dǎo)電是指半導(dǎo)體中價電子移動參與導(dǎo)電的過程，但P型導(dǎo)電卻不是這樣。當(dāng)半導(dǎo)體中的負(fù)電子受熱激發(fā)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(jìn)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(dǎo)電就是P 型導(dǎo)電。由于導(dǎo)電形式不同，半導(dǎo)體也分為了P 型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。之后，基于該理論提出的PN 結(jié)原理也促進(jìn)了晶體管的發(fā)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(guān)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(dǎo)凱利(J. Kelly)認(rèn)為，要從半導(dǎo)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(zhuǎn)向人才輩出的麻省理工學(xué)院，發(fā)現(xiàn)肖克利是一位很有研究才能的人。當(dāng)時肖克利剛畢業(yè)，正是量子力學(xué)逐漸向各個學(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。小組成員還有布拉頓，他早在1929 年就以明尼蘇達(dá)大學(xué)物理學(xué)博士進(jìn)入了貝爾實驗室，主要研究固體的表面性質(zhì)。1931年，布拉頓參加過一個理論物理研究班，學(xué)習(xí)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：“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(fā)揮研究人員興趣、特長和自由創(chuàng)造性的政策，是后來晶體管在該實驗室發(fā)明出來的重要原因之一。