互动科普

1947年12月23日，圣诞节前夕，37岁的肖克利、39岁的巴丁和45岁的布拉顿成功地在美国贝尔实验室制造出了世界上第一个晶体管。小小的晶体管，改变了整个世界。有了晶体管，才有了集成电路，才有了大规模、超大规模集成电路，才有了今天的信息时代。所以，科学界普遍认为，晶体管是20世纪人类最伟大的发明。

发明晶体管的三位科学家（从前到后）巴丁、肖克利和布拉顿

专攻理论物理的肖克利

1936年，在号称“工程师的摇篮”的美国麻省理工学院，专攻理论物理的优秀博士生肖克利（W. Shockley，1910～1989）当时只有26岁，踌躇满志，自命不凡。因为出身于教授之家，他从加州理工学院到麻省理工学院，一路顺顺当当地走来，学士、硕士学位轻易取得，博士学位即将到手，其“天才”称号已誉满校内外。

一天，一位不速之客悄悄地敲开了肖克利的房门。来者凯利（M. J. Kelly），自报家门，主管贝尔实验室电子学研究。自从1904年弗莱明发明了真空二极管、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。至1936年，30年来真空三极电子管已经成为各种电子设备的核心器件。但是，粗大的玻璃电子管有其固有的缺陷，一是体积太大，二是耗电量太多，三是使用太不方便。凯利颇具远见卓识，希望通过新的技术发明找到取代电子管的器件，突破口应该是关于半导体的研究。他四处网罗有创新精神和学识的年轻人才，所以26岁的肖克利被他盯上了。

“帅小伙，愿意来贝尔实验室工作吗？”凯利快人快语，开门见山，毫不掩饰其来麻省理工学院“挖人”的意图。凯利的话使肖克利怦然心动，因为贝尔实验室在电子学方面卓尔不群，开展着世界上规模最大的基础研究，注册的发明专利已达近万项之多。肖克利太愿意到贝尔实验室工作了。他没有丝毫犹豫，立即完成了博士论文答辩，接着就打点行装，来到了新泽西。

擅长实验物理的布拉顿

这时，在贝尔实验室，34岁的实验物理学家布拉顿（W. Brattain，1902～1987）似乎在专门等待着肖克利的到来。布拉顿先后取得过理学硕士和哲学博士学位，也是在26岁时加盟贝尔实验室的，已经在此干了8年，积累了丰富的实验经验。肖克利碰上了布拉顿，稍加切磋，大有相见恨晚之感，理论与实验结合，真是相得益彰。他们都熟知30年前弗莱明的二极真空管、德福雷特斯的三极真空管，都想在电子材料技术上有所突破，以弥补电子管的不足。

不久，肖克利想到了一种“矿石”，他对布拉顿说：“有一类晶体管矿石被人们称为半导体，比如锗和硅，它们的导电性并不太好，但有一些很奇妙的特性，恐怕会影响到未来电子学的发展方向。”布拉顿也早就注意到半导体研究的进展，心领神会，连连点头称是—真是英雄所见略同，二人可谓志同道合。

如果不是第二次世界大战的爆发，也许肖克利和布拉顿的半导体研究早就有了结果。但是，战火已起，事不由人，二人都被派往海军部从事军事方面的研究，刚刚开始的半导体课题遗憾地被战火中断。

精通固体物理的巴丁

1945年，战争硝烟逐渐消散，尘埃刚一落定，肖克利就一路风尘赶回贝尔实验室，并带来了另一位青年科学家，那就是仅仅比他年长两岁的普林斯顿大学数学物理博士巴丁（J. Bardeen，1908～1991）。

巴丁精通固体物理学，他的专长和学识恰好弥补了肖克利和布拉顿知识结构的不足。而且巴丁温文儒雅，为人低调，是合作型的科学家典范。刚刚晋升为贝尔实验室执行副总裁的凯利对巴丁的加盟喜出望外，当即拍板，由他们三人组成半导体小组，以肖克利牵头，实施固体物理学研究项目。

最初，三人小组在肖克利提出的“场效应”半导体管实验方案指导下进行研究，未获成功。后来，经过不知多少个不眠之夜的苦苦思索，巴丁提出了新的“表面态”理论。接着巴丁和布拉顿开始测量半导体锗晶体的表面势分布，他们将锗晶体连接在一个参考电极上，用两个金属探针沿着晶体表面进行探测。一次，无意间两个探针非常靠近，给一个探针一点电荷，连着另一个探针的电流表的指针竟有很大的摆动。他们异常兴奋，巴丁立刻用理论估算出，两个探针的距离要接近或小于25.4微米（1/1000英寸）时才会有这种效应。

1947年12月23日，圣诞节前夕，这时，布拉顿出色的实验技能派上了用场，他在一块三角形聚苯乙烯板上，用气相淀积的方法生成了一层金属膜，再用剃须刀片把膜从三角形的一个尖顶处划开，之间的距离小于25.4微米，把半导体锗晶体从尖顶处插入缝隙中，电流的放大作用发生了，世界上第一只固体放大器—晶体管也随之诞生了。这种被称之为点接触晶体管，对电流、电压都有放大作用。

肖克利虽然是巴丁和布拉顿的上司，但他并没有列为点接触晶体管的发明人。不过他并不服输，仅仅一个月之后，经过无数次反复演算，1948年1月23日黎明时分，完成了“三明治”式晶体管的最后一张构思草图。肖克利为这种晶 体管取名为“结型晶体管”，它是利用晶体中电子和空穴的作用原理制成的。这种晶体管的第一个样品于1950年诞生，这是真正有用的晶体管。因此，肖克利、巴丁和布拉顿三人分享了1956年度的诺贝尔物理学奖。

日后，巴丁把研究领域转向了超导，并于1957年同库珀、施里弗组成了新的团队，创立了全新的揭示超导电性的微观理论—BCS理论，15年后，1972年再次荣膺诺贝尔物理学奖。而肖克利则到了地处美国加州北部旧金山湾以南的圣克拉拉谷，创立了早期以硅芯片的设计与制造著称的硅谷（Silicon Valley）。

历史上第一个晶体管

晶体管的发明催生信息时代的来临

晶体管的出现是电子技术发展史上的一座里程碑。同电子管相比，晶体管具有明显的优越性，一是尺寸小，二是功耗低，三是寿命长。晶体管引起的电子技术革命，出现了晶体管收音机、晶体管电视机、晶体管微型电子计算机等，开启了人类的信息时代。

近代科学革命以来，人类社会从农业文明逐步过渡到工业文明，有18世纪的蒸汽时代、19世纪的电力时代，20世纪中叶则出现了微电子、核能利用、航天等重大科技进展，但我们认定当前处于信息时代，是因为计算机和晶体管的出现和普及，把信息对整个社会的影响逐步提高到一种绝对重要的地位，信息量、信息储存、信息传播、信息处理和信息应用的程度和速度都以几何级数的方式在增长。

1965年，摩尔（G. Moore，1929～）预测，未来单个芯片上的晶体管数量大约每18个月翻一番，同时性能增长一倍、价格降低到原来的一半。这个“摩尔定律”至今依然基本适用。1954年10月，世界上第一台晶体管收音机中，只有4个晶体管；而在2012年8月英伟达公司所发布的显卡芯片GK104中，则有着35.4亿个晶体管；2011年5月，英特尔公司还成功地开发出了世界上首个3D晶体管。未来，以追求处理器效能的“基辛格规则”将会取代以追求处理器性能为目标的“摩尔定律”，信息时代也将随之跨入一个新的时期。

（本文发表于《科学世界》2013年第2期）