晶体管是由谁发明的，晶体管的发明史

在之前的文章《到底什么是电子管（真空管）？》中，小编说过，电子管虽然可以实现探测和放大，但存在体积大、故障率高、易破损（玻璃管）、发热量大、发热高等诸多问题。提到有缺点。请等待能源消耗等。由于这些缺点，专家们一直在考虑是否有一种性能更好、缺点更少的电子管替代元件，可以支持电子行业的长期发展。想了想，他们把目光投向了矿石探测器。 矿石探测器——是世界上最古老的半导体器件，比电子管的历史还要悠久。它利用了一些天然矿石（金属硫化物）的单向导电特性（详见上一篇文章）。这个功能实际上并不新鲜。该属性是多年前发现的。 1782年，意大利著名物理学家亚历山德罗·沃尔塔通过实验发现固体物质大致可分为三类。第一类是金、银、铜、铁等容易导电的金属，称为导体。第二种是导电性不好的材料，如木材、玻璃、陶瓷或云母，称为绝缘体。第三种是导体与绝缘体之间的缓慢放电。第三种材料的奇怪特性被博尔特命名为“Semiconducting Nature”，意思是“半导体特性”。 “半导体”一词在人类历史上首次出现。在亚历山德罗·沃尔塔之后，许多科学家有意无意地陆续发现了几种半导体特性。示例：1833年，迈克尔·法拉第发现硫化银的电阻随着温度升高而降低（半导体的热敏特性）。 1839 年，法国科学家Alexandre-Edmond Becquerel 发现照明可以在某些材料之间产生电势差（半导体中的光伏效应）。 1873年，威洛比·史密斯发现硒材料的电导率在暴露于光时会增加（半导体中的光电导效应）。 ……当时没有人能够解释这些现象，因此没有引起太多关注。 1874年，德国科学家Karl Ferdinand Braun发现了上述天然矿石（金属硫化物）的单向导电特性。这是一个重要的里程碑。对于卡尔·布劳恩来说不幸的是，布劳恩没有关注这一发现，而是转向了阴极射线管（也称为CRT，现代显示技术的基础）的研究。后来，海因里希·鲁道夫·赫兹成功证明了无线电电磁波的存在，布朗又回到了无线电研究领域。他与马可尼合作极大地改进了早期的无线电通信系统。两人共同获得1909年诺贝尔物理学奖。 1906年，美国工程师Greenleaf Whittier Pickard发明了著名的基于黄铜矿晶体的晶体探测器，又称“猫须探测器”（因其具有可见探头而得名）。矿石探测器矿石探测器是人类最古老的半导体装置。它的出现是半导体材料的“新时刻”。尽管它有其缺点（质量控制不严，矿石纯度低导致运行不稳定），但它有力地推动了无线通信的发展。众多基于矿物地震检波器的无线产品开始流行，极大地增强了人类的信息传输。人们正在使用矿石探测器，但他们仍然不明白它是如何工作的。

30年来，人们不断好奇——为何采用半导体材料。为什么半导体材料可以单向导电？早期，很多人都想知道半导体材料是否真的存在。著名物理学家泡利曾说过：“人们不应该研究半导体。那是一团肮脏的烂摊子。没有人知道半导体是否存在。” 量子力学—— 半导体理论世界上第一支电子管（真空管）的诞生1904年标志着人类进入电子管时代。电子管的兴起削弱了公众对矿物探测器和半导体技术的热情。随后，随着量子力学的诞生和发展，半导体理论研究终于取得突破性进展。 1928年，德国物理学家、量子力学创始人之一马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克在将量子力学应用于金属传导问题的研究时，首先提出了固体能带理论。量子理论之父普朗克提出，在外电场作用下，半导体中的传导可分为涉及空穴的传导（即P型传导）和涉及电子的传导（即N型传导）。我想过这个问题。半导体的许多奇怪特性都是由空穴和电子决定的。随着能带理论的出现，第一次从科学的角度解释了为什么固体可以分为绝缘体、导体和半导体。 1931年，英国物理学家查尔斯·汤姆森·里斯·威尔逊提出了基于能带理论的半导体物理模型，奠定了半导体领域的理论基础。 1939年，苏联物理学家..达维多夫（..）、英国物理学家内维尔·弗朗西斯·莫特和德国物理学家沃尔特·赫尔曼·肖特基对半导体的基础理论做出了贡献。大卫杜夫最先认识到少数载流子在半导体中的作用，肖特基和莫特提出了著名的“扩散理论”。基于这些巨人的贡献，半导体的基础理论建设逐渐建立起来。 贝尔实验室——创造奇迹并加速半导体开发和应用。仅有理论是不够的，技术还需要跟上。矿石检测仪诞生后，科学家发现这种检测仪的性能与矿石的纯度密切相关。矿石的纯度越高，探测器的性能就越好。因此，许多科学家对矿石原料（硫化铅、硫化铜、氧化铜等）的精炼进行了研究，精炼工艺不断得到改进。这里我们要说的是——贝尔实验室，人类历史上最大的实验室之一。为了建设长途电话网络，美国ATT公司获得了DeForest的三极管专利。后来，意识到电子管等基础研究的价值，ATT于1925年收购了西方电气公司的研究部门，并在此基础上专门成立了“贝尔实验室”。贝尔实验室大楼（1925） 20世纪30年代，贝尔实验室科学家Russell Shoemaker Orr提出用纯化晶体材料制成的探测器完全取代电子二极管。 （如你所知，当时真空管具有绝对的市场优势。） 现代太阳能电池之父拉塞尔·奥尔（Russell Orr）一一测试了100多种材料，发现硅晶体是最理想的材料。制作探测器。为了验证他的结论，他在同事杰克·斯卡夫的帮助下提取了高纯度硅晶体融合体。贝尔实验室没有能力切割硅晶体，因此奥尔将熔体送到一家珠宝店，让其切割成各种尺寸的晶体样品。

出乎意料的是，照射后样品的一端表现出正极性，另一端表现出负极性，因此奥尔将它们分别命名为P区和N区。就这样，奥尔发明了世界上第一个半导体PN结（p-n结）。奥尔的发现震惊了贝尔实验室主任马文·J·凯利。马文·凯利马文·凯利是半导体发展史上的重要人物。 1917年加入ATT，从事电子管研究。 20世纪30年代末，电子管的研究逐渐遇到瓶颈。马文·凯利发现半导体晶体材料是未来发展的方向。奥尔并不是对马文·凯利有唯一影响的人。 1939年9月，第二次世界大战爆发。英国全面加强与美国的技术合作，以对抗德国。其中，英国带来的一个重要合作主题是英国于1935年发明的雷达技术。尽管早期英国雷达网络发挥了主要作用，但雷达技术实际上是无线电技术的延伸。雷达性能与电子设备密切相关。当时，电子管是主流，但存在信噪比差、工作不稳定、容易破损等缺点，不被军方所喜欢。第二次世界大战期间，ATT旗下的西部电气公司以提纯的半导体晶体为基础制造了一系列硅晶体二极管。这些二极管的小尺寸和低故障率显着提高了联合雷达系统的性能和可靠性。奥尔发明的PN结和硅晶体二极管的优越性能，坚定了马文·凯利发展晶体管技术的决心。他暗暗决定领导贝尔实验室进军半导体领域。 1945年7月，第二次世界大战即将结束。为了适应战后研究方向的调整，贝尔实验室重组了各个研究部门。当时，马文·凯利已经是贝尔实验室的执行副总裁。在他的推动下，贝尔实验室成立了三个研究小组。其中之一是固体物理研究小组。按照马文·凯利的设想，成立固体物理研究组的目的是“在固体物理理论的指导下，找到控制构成固体的原子和电子的排列和行为的物理和化学方法”。并创造新的东西。”有用的属性。”简而言之，其实就是晶体管的发展。凝聚态物理研究组分为半导体和冶金两个组。该半导体团队由麻省理工学院博士William Shockley 领导。威廉·肖克利肖克利是一位传奇人物。 1910年2月13日出生于英国伦敦。随后，他进入美国麻省理工学院学**量子物理。 1936年获得博士学位后，肖克利受马文·凯利特邀前往贝尔实验室从事固体物理研究。 1939年，肖克利根据莫特-肖特基整流理论和他自己的实验结果，提出了非常重要的“场效应”理论。 1942 年，肖克利短暂离开贝尔实验室，加入陆军研究实验室，从事深水炸弹和雷达炸弹瞄准器的研究。特别值得一提的是，二战末期，肖克利受美国政府邀请，为日本本土袭击准备伤亡评估报告。这份报告对后来美国的对日战略产生了重大影响，并间接影响了美国投下原子弹的决定。第二次世界大战后，为表彰肖克利的贡献，美国政府授予他国家功绩勋章，这是美国平民可以获得的最高荣誉勋章。随后肖克利满怀荣幸地回到了贝尔实验室。

除了肖克利之外，贝尔实验室的固体物理研究小组还包括半导体专家G.L. Pearson、物理化学家R.B. Gibney、电子电路专家H.R. Moore以及理论物理学家约翰·巴丁（J. Bardeen）、实验学家等众多专家。物理学家沃尔特·H·布拉滕（Walter H. Bratten）。顺便说一下，这位沃尔特·布拉顿1902年出生于中国厦门（父母都是美国人），1903年回到美国。研究硅和锗晶体提纯工艺的沃尔特·布拉顿(Walter Bratton)以及半导体专家拉塞尔·奥尔(Russell Orr)(上文提到)和戈登·基德·泰尔(Gordon Kidd Thiel)也支持固体物理研究组的相关研究。团队早期的工作并不顺利。在其成立后的一年里，人们根据肖克利的理论假设进行了大量的实验，但收效甚微。 1946年，约翰·巴丁在肖克利场效应理论的基础上提出了“表面态”理论，解决了长期困扰大家的问题。约翰·巴丁（John Bardeen） 然后约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布拉顿（Walter Bratton）摸索着前进（过程非常坎坷和曲折）。最终，1947年12月23日，他们生产出了世界上第一台半导体三极管放大器。这是一件看起来非常奇怪和粗陋的东西：世界上第一个晶体管（基于锗半导体） 在他的实验室笔记本上，布拉顿抑制住内心的兴奋，小心翼翼地写道：“电压增益100，功率增益40，电流损耗1/2.5。 ……”皮尔逊、摩尔、肖克利等人现场观察了实验，并在布拉顿的备忘录上签名，表示认可和认证。在命名时，巴丁和布拉滕认为该设备放大信号的能力是由于其电阻转换特性，这意味着信号从“低电阻输入”变为“高电阻输出”。因此，我们将其命名为变压器电阻（转换电阻）。后来简称为晶体管。中国著名科学家钱学森将中文翻译命名为晶体管。综上所述，半导体的特性就是其特殊的导电能力（在外界因素的影响下）。具有半导体特性的物质称为半导体材料。硅和锗是具有代表性和重要的半导体材料。从微观上看，按一定规则有序排列的物质称为晶体。硅晶体包括单晶、多晶和非晶态晶体。晶体形态决定了能带结构，进而决定了电性能。因此，硅（锗）晶体作为半导体材料具有很大的应用价值。二极管、晶体管和四极管根据其功能命名。电子管（真空管）和晶体管（硅晶体管、锗晶体管）都是根据其原理来命名的。后来，基于晶体管的电路变得越来越小，开始集成（无需布线）在硅等半导体材料上，逐渐被称为集成电路。集成电路越来越小，电路的规模越来越大（大规模集成电路），现在是路上人人都知道的芯片。半导体材料是现代电子工业的支柱肖克利的反击巴丁和布拉顿发明晶体管后，有人心里百感交集。此人令人震惊。肖克利是该团体的领导者和重要的理论创始人。但他基本上没有参加巴丁和布拉顿后期重要阶段的研究活动。事实上，他曾经相信，如果没有他的帮助，巴丁和布拉滕就不会成功。肖克利先生被打脸后发现自己陷入了相当尴尬的境地，他认为自己是晶体管的发明者之一，有权在专利上签字。

大多数其他人认为肖克利与这项发明没有什么直接联系，因此不应该签署。在随后提交专利申请时，团队向律师提出了“必须将肖克利排除在外”的特别要求。为什么会如此不愉快呢？这里小编必须要解释一下肖克利的独特个性。肖克利肖克利是一位科学天才。他绝对拥有技术领域的知识和能力。然而，他在与人相处和管理团队的方式上存在重大缺陷。用现在的术语来说，就是“智商高，情商低”。他以自己的才华为荣，性格古怪，对同事和下属性格非常刻薄。这也是很多人回避他的原因。很少有人能和他保持良好的关系。肖克利签署专利的请求自然没有得到所有人的支持，因为他的人际关系很差，不参与团队合作。贝尔实验室的高管也对肖克利先生发出了警告，肖克利先生受到了重大打击。肖克利很生气，决定：“他们不让我玩，所以我一个人玩。”巴丁和布拉滕发明的晶体管实际上应该称为点接触晶体管。从下面的照片可以看出，这样的设计实在是太简陋了。虽然它提供放大功能，但结构脆弱且容易受到外部振动的影响，因此难以制造且无法商业使用。肖克利发现了这个缺陷，并开始独立研究新的晶体管设计。 1948年1月23日，经过一个多月的紧张研究，肖克利提出了一种新的三层晶体管模型，他将其命名为结型晶体管。今年6月26日，肖克利先生的愿望实现了，他获得了一项仅使用他的名字的专利（专利号：US2569347A）。肖克利的专利最初受到广泛质疑，许多人认为该模型不可行。后来，到了1950年，肖克利的同事兼好友摩根·斯帕克斯和戈登·泰尔合作，经过一系列尝试，成功地利用直拉法制作了物理NPN晶体管，并被认为是肖克利的成功。肖克利拿着晶体管今年11月，肖克利出版了一本关于半导体器件原理的书，《半导体中的电子和空穴》，其中对结型晶体管的原理进行了详细的理论解释。 1951年初，结型晶体管的各项指标超过了点接触型晶体管。肖克利对晶体管发明的贡献最终得到了贝尔实验室的一致认可（至少在技术层面上）。 半导体产业爆发，研究团队解散晶体管的诞生对于人类科技的发展极其重要。它具有电子管的功能，同时克服了电子管的缺点。从它诞生的那一刻起，就决定彻底取代电子管。 20世纪50年代，晶体管发展进入爆发期。晶体提炼技术和光刻技术正在全面爆发式发展，可以说是进步神速。在工业实现方面，ATT的制造部门西部电气公司很快就实现了晶体管的量产。广泛应用于电话路由设备、电路振荡器、助听器、电视信号接收器等。生产晶体管的工人1953 年，第一台电池供电的晶体管收音机问世。一经推出，就受到了很多人的热烈欢迎，销量也十分强劲。 1954年，世界上第一台晶体管计算机TRADIC被美国空军使用。运行时功耗不超过100W，体积不超过1立方米，与今年的ENIAC有很大不同。 1954年至1956年间，美国共售出1700万个锗晶体管和1100万个硅晶体管，被称为超级计算机TRADIC，价值约5500万美元。

值得一提的是，最初贝尔实验室是晶体管技术的专利持有者，也是该技术的主要掌握者。随后，由于美国反垄断法的限制，贝尔实验室积极将其半导体专利授权给其他厂商。这将进一步促进半导体技术的普及。 1956年，肖克利、巴丁和布拉滕因发明晶体管而获得诺贝尔物理学奖。三位伟人，他们的名字将载入史册。事实上，此时，贝尔实验室晶体管的创始团队已经解散了。研制成功晶体管后，沃尔特·布拉顿不满肖克利的打压，于是申请调职，转到另一个研究组。 1951年，约翰·巴丁从贝尔实验室辞职，前往伊利诺伊大学担任教授。后来他因在超导领域的贡献再次获得诺贝尔奖。 1952年，Gordon Thiel离职加入德州仪器，帮助该公司成为未来的半导体巨头。 1954年，肖克利无法再留在贝尔实验室，转而到加州理工学院任教。后来，1956年，他搬到美国西部加利福尼亚州山景城，开始了自己的新事业，在帕洛阿尔托小城（后来的硅谷）建立了肖克利半导体研究所。谁也没想到，几年后，肖克利又故态复萌，赶走了八名弟子，再次孑然一身。他的八个弟子也被称为“八奸”。 “八叛徒”离开后成立的仙童半导体不仅创造了世界半导体产业，也改变了人类历史的进程。芯片行业的八位大师：“八个叛徒” 嗯，这就是晶体管诞生的故事。内容比较长，不过感谢您的耐心阅读。 —— 全文—— 参考文献：1.《半导体简史》，机械工业出版社，王琪，范淑琴；2.《电子技术发展的里程碑——晶体管的发明》，科学24小时；3.《芯片破壁者：从电子管到晶体管“奇迹”寻踪》，脑体；4.《晶体管发明往事：误打误撞，反目成仇，共享诺贝尔奖》，James；量子位；5.《第一块晶体管背后的故事》，胡步贵，中国科学技术大学；6. 百度百科、维基百科相关条目。

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来源：鲜枣课堂编辑：李友友昌