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发信人: crazy (雪山), 信区: Science
标  题: 晶体管(2)
发信站: 紫 丁 香 (Mon Mar 27 03:16:53 2000), 转信


晶体管发明之后
    基于严谨的科学态度，贝尔实验室并没有立即发表肖克利小组的研究成果。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张的状态中忙碌地工作着。他们心中隐藏着一丝忧虑。如果别人
也发明了晶体管并率先公布了，他们的心血就付之东流了。他们的担心绝非多虑，当
时许多科学家都在潜心于这一课题的研究。
    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行的实验及其发现。当时贝尔实验室发明晶体管的秘密尚未公开，
它的发明人之一——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
实验距离晶体管的发明就差一小步了。因此，会后布雷与布拉顿聊天时谈到他们的实
验时，布拉顿立刻紧张起来。他不敢多开口，只让对方讲话，生怕泄密给对方，支吾
几句就匆匆忙忙地走开了。后来，布雷曾惋惜地说过：“如果把我的电极靠近本泽的
电极，我们就会得到晶体管的作用，这是十分明白的。”由此可见，当时科学界的竞
争是多么的激烈！实力雄厚的贝尔实验室在这场智慧与技能的角逐中，也不过略胜一
筹。
    晶体管发明半年以后，在1948年 6月30日，贝尔实验室首次在纽约向公众展示了
晶体管。这个伟大的发明使许多专家不胜惊讶。然而，对于它的实用价值，人们大都
表示怀疑。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
该震惊世界的这条新闻。在公众的心目中，晶体管不过是实验室的珍品而已。估计只
能做助听器之类的小东西，不可能派上什么大用场。
    的确，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
们所认识。于是，在点接触式晶体管发明以后，他们仍然不遗余力，继续研究。又经
过一个多月的反复思索，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，那就是以往的研究之所以失败，根本原因在于人们不顾一切地盲目模仿真空
三极管。这实际上走入了研究的误区。晶体管同电子管产生于完全不同的物理现象，
这就暗示晶体管效应有其独特之处。明白了这一点，肖克利当即决定暂时放弃原来追
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。
    正确的思想终于开出了最美的花朵。1948年11月，肖克利构思出一种新型晶体管，
其结构像“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！可惜的是，由于当时技术条件的限制，研究和实验都十分
困难。直到1950年，人们才成功地制造出第一个PN结型晶体管。
    电子技术发展史上一座里程碑
    晶体管的出现，是电子技术之树上绽开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：①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逐渐劣化。由于技术上的原因，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，称得起永久性器件的美名。②晶体管消耗电子极少，仅为电子
管的十分之一或几十分之一。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。③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出现画面。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。显然，在军事、测量、记录等方面，晶体管是非常有
优势的。④晶体管结实可靠，比电子管可靠 100倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管
所无法比拟的。另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，
可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有
利于提高元器件的安装密度。正因为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，就受到人们的热烈欢迎，人们争相购买这种收音机。接着，
各厂家之间又展开了制造短波晶体管的竞赛。此后不久，不需要交流电源的袖珍“晶
体管收音机”开始在世界各地出售，又引起了一个新的消费热潮。
    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迎的
产品之一。从1967年以来，电子测量装置或者电视摄像机如果不是“晶体管化”的，
那么就别想卖出去一件。轻便收发机，甚至车载的大型发射机也都晶体管化了。
    另外，晶体管还特别适合用作开关。它也是第二代计算机的基本元件。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——太阳能电池也
都能用晶体管制造。这种电池是遨游于太空的人造卫星的必不可少的电源。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控制的途径。
    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，用于研究、开
发与生产晶体管和半导体器件。例如，纯净的锗或硅半导体，导电性能很差，但加入
少量其它元素(称为杂质)后，导电性能会提高许多。但是要想把定量杂质正确地熔入
锗或硅中，必须在一定的温度下，通过加热等方法才能实现。而一旦温度高于摄氏75
度，晶体管就开始失效。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，
以开展这项新技术的研制工作。在这样雄厚的财政资助下，没过多久，人们便掌握了
这种高熔点材料的提纯、熔炼和扩散的技术。特别是晶体管在军事计划和宇宙航行中
的威力日益显露出来以后，为争夺电子领域的优势地位，世界各国展开了激烈的竞争。
为实现电子设备的小型化，人们不惜成本，纷纷给电子工业以巨大的财政资助。
    自从1904年弗莱明发明真空二极管，1906年德福雷斯特发明真空三极管以来，电
子学作为一门新兴学科迅速发展起来。但是电子学真正突飞猛进的进步，还应该是从
晶体管发明以后开始的。尤其是PN结型晶体管的出现，开辟了电子器件的新纪元，引
起了一场电子技术的革命。在短短十余年的时间里，新兴的晶体管工业以不可战胜的
雄心和年轻人那样无所顾忌的气势，迅速取代了电子管工业通过多年奋斗才取得的地
位，一跃成为电子技术领域的排头兵。
    现代电子技术的基础
    诚然，电子管的发明使电子设备发生了革命性变化。但是电子管体大易碎，费电
又不可靠。因此，晶体管的问世被誉为本世纪最伟大的发明之一，它解决了电子管存
在的大部分问题。可是单个晶体管的出现，仍然不能满足电子技术飞速发展的需要。
    随着电子技术应用的不断推广和电子产品发展的日趋复杂，电子设备中应用的电
子器件越来越多。比如二次世界大战末出现的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，极为复杂的电子设备中就
可能要用上百万个晶体管。一个晶体管有 3条腿，复杂一些的设备就可能有数百万个
焊接点，稍一不慎，就极有可能出现故障。为确保设备的可靠性，缩小其重量和体积，
人们迫切需要在电子技术领域来一次新的突破。1957年苏联成功地发射了第一颗人造
卫星。这一震惊世界的消息引起了美国朝野的极大震动，它严重挫伤了美国人的自尊
心和优越感，发达的空间技术是建立在先进的电子技术基础上的。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，负责军事和宇航研究，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。
    就是在这种激烈的军备竞赛的刺激下，在已有的晶体管技术的基础上，一种新兴
技术诞生了，那就是今天大放异彩的集成电路。有了集成电路，计算机、电视机等与
人类社会生活密切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、
学习和娱乐带来了极大便利。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延续。集成电路设想的提出，
同晶体管密切相关。1952年，英国皇家雷达研究所的一位著名科学家达默，在一次会
议上曾指出：“随着晶体管的出现和对半导体的全面研究，现在似乎可以想象，未来
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
人们的深入研究指明了方向。
    后来，一个叫基尔比的美国人步达默的后尘，走上了研究固体组件这条崎岖的小
路。基尔比毕业于伊利诺斯大学电机工程系。1952年一个偶然机会，基尔比参加了贝
尔实验室的晶体管讲座。富于创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研究计划。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，他果然获得了成功。他研究出一种简便的方法，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
更大的发展，基尔比于1958年 5月进入得克萨斯仪器公司。当时，公司正参与美国通
信部队的一项微型组件计划。基尔比非常希望能在这一计划中一显身手。强烈的自尊
促使他决心凭自己的智慧和努力进入这一计划。于是，他常常一个人埋头在工厂，思
考采用半导体制造整个电路的途径。记不清多少次苦苦思索，多少回实验，多少次挫
折，经过长时间的孤军奋战，到1959年，一块集成电路板终于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
泼德自豪地宣布，这是“硅晶体管后得克萨斯仪器公司最重要的开发成果”。
    在晶体管技术基础上迅速发展起来的集成电路，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成本，在1960年，生产 1只晶体管要花
10美元，而今天，1只嵌入集成电路里的晶体管的成本还不到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
改变人类的生活。它正在冲击着人类生活的许多方面：劳动生产、家庭、政治、科学、
战争与和平。

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