编者按 李宗琦（Charles Lee）博士于2020年10月30日在美国明尼苏达州完成了此稿的最终修订。经李宗琦博士授权，此文今天在今日头条独家首发。未经允许，不得转载，违者必究。如有相关期刊欲公开编发使用本文，请直接在这里与我联系。本文较长，将分两次连载。
贝尔实验室的“三剑客”——晶体管诞生1948年6月30日，贝尔实验室的Ralph Brown向媒体宣布了在1947年12月23日一项最伟大的绝对机密的发明——“固体的晶体管”，它可以取代真空管放大电流。他宣布这个好消息的时候，完全没有想到会带来一场多么巨大的技术革命！其实，当时没有人可以预测这个小巧的晶体管会在商业、教育、工业、国防、文化等方面带来迅猛的翻天覆地的变革，成为构成数字电子产品和其他各种衍生物的基本元件。没有人知道晶体管会将我们带到月球和宇宙，还会将世界的距离变小。
今天，我们可以随手打开收音机听到最流行的音乐，看电视里栩栩如生的节目，用手机通话，或上网浏览，这一切都要归功于下面我要说的三位科学家：威廉·肖克利(William Shockley)、约翰·巴丁(John Bardeen)和沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)。可惜由于自我意识的碰撞，和苦涩的竞争，使三剑客那么完美的组合发明了晶体管之后终生不再合作。他们3人在那时是科技精英中的精英，布拉顿是什么都会做的实验物理学家，巴丁是20世纪最伟大的理论物理学家之一。年纪最小的肖克利是三剑客的组长，他也是一位优秀的理论物理学家，他早就看到了晶体管的前景，而做研究的动力使他成为英雄，也促成他日后经商的失败。
图1. 巴丁、肖克利和布拉顿1948年摄于贝尔实验室
故事要从1945年开始，那一年属于美国电报电话公司AT&T的科研单位贝尔实验室Bell Lab刚从曼哈顿搬迁到世界一流的位于新泽西州的的新实验室。
AT&T公司的来源可以追溯到1876年贝尔发明电话这一颇具影响力事件。它垄断的是长途电话通信业务。1907年亚历山大·贝尔发明的电话专利到期之后，成千上万小电话公司冒出来和他们竞争，他们想推出一个业务提供东岸到西岸的长途电话通信。可是在1912年长途只能从纽约通到丹佛，他们必须开发一种有放大信号功能的器件。
他们请来号称电子学之父的李·德弗雷斯特，用他发明的三极电子真空管放大器，就是在二极真空灯泡中加上一个栅极，由它来放大通向阴极的电信号。1915年这项研发成功了，AT& T的长途电话可以从纽约打到旧金山。1940年他们的电话网像蜘蛛网一样布满全美国。但是真空三极管的毛病是制作困难、寿命短、体积大耗能高、易损坏，缺点一大堆。
贝尔实验室的董事会主席和总裁默文·凯利（Mervin Kelly）认为，如果电话仅仅依赖真空管和继电器是没有发展前途的，他敏睿地觉得答案应该是去发掘新型半导体材料锗和硅，它们的导电性能会随外加条件而变，是不是可能使他们具有比真空管更好的放大和开关的功能呢？可惜他的构想受阻于第二次世界大战。幸好当时为了发展军事雷达，采用半导体材料锗和硅的晶体整流器成功地将雷达信号显示在屏幕上，这两种材料奠定了以后发明晶体管的基础。
战后人们追求美好的生活，电话在全国普及，照如此发展势头，恐怕光是接线员的工作就需要雇全国一半的妇女，默文·凯利觉得是时候了，应该开发半导体自动开关器件。他立马成立了“半导体小组”，肖克利是组长，成员包括巴丁和布拉顿。肖克利和巴丁都是理论物理学家，而布拉顿则是实验物理学家。
1945年春，肖克利有一个奇特的想法，用场效应原理在金属——半导体结构上做实验，希望找到放大的效果，多次尝试失败。他请巴丁检查自己的理论和核实数学计算，结果都没啥毛病。后来巴丁和布拉顿二人独立进行研究，巴丁认为可能是表面的电子层屏蔽了电场，无法穿透到硅晶体内部。布拉顿干脆将样品投入水中，意外测试到水中和了表面电子的屏蔽层，电信号居然得到明显的放大！但是水使得样品对信号的反应时间太慢，必须进一步改良。
巴丁和布拉顿在1947 年12 月把间距为50 微米的两个金电极压在锗半导体上，微小的电信号由一个金电极(“发射极”)进入锗半导体(“基极”)、被显著放大，并通过另一个金电极(“集电极”)输出，这个器件在1kHz的增益为4.5。这不是场效应，这是金属点接触到锗半导体上，将电子直接发射到晶体中。关键是两个金电极必需距离很小，小得像一根头发丝那样。布拉顿灵机一动，他将一片薄金箔包在三角形的塑料上，在顶角处用刀片划一道薄间隙，让它触碰锗片，加上电源，他们发现1.3伏直流电压被放大了15倍。放大器终于做成功了，称之为点接触式晶体管。
图2. 巴丁和布拉顿发明的第一个点接触式晶体管模型和示意图
这是石破天惊的成就。1947年12月23日他们在实验室做了展示，在一端连接麦克风，另一端接耳机，布拉顿对麦克风讲话，人们听到了被放大了18倍的声音。（请参阅《世界上第一个晶体管是如何工作的？》一文）。这一天是晶体三极管的诞生日，人类第一次不用真空管就可以将声音放大，实乃奇迹。
那一天肖克利不在场，巴丁和布拉顿打电话给他报告这个好消息，他却被深深刺痛了，由他领导的小组做出了他构想的晶体管，基于他的场效应理论，居然没他在场。后来贝尔实验室为这项划时代的发明申请专利时，因为点接触式晶体管诞生时肖克利不在场，所以专利申请上没有他的名字，连二人发表的学术文章都没有他的署名。情何以堪，从此这三人的关系就变了样。
请读一段肖克利的回忆录：
这下子可把肖克利给惹毛了，他每天不停地抱怨和“念念碎”。
“晶体管的诞生完全是基于格老子提出的场效应理论，整个研究过程我也直接参与其中，现在居然说和我没关系”。“格老子后场断球连过十人直接杀入禁区，怒射中门柱弹出，碰到巴丁与布拉顿的脚后入网得分，而现在你们却说这不关我事？”“更何况我是这个小组的领导人，没我的英明领导这两个小子会有今天的成就吗？这年头，运动员得个冠军还得先感谢XX感谢XX，写篇论文也得先署XX的名字。格老子我累得像狗一般的辛勤播种，最后尼玛的告诉我这和我没关系的，这算啥玩意儿。”
还好，抱怨归抱怨，肖克利毕竟是天才。“点接触型晶体管发明的数周内，肖克莱被一种复杂的情感折磨着。他认识到巴丁和布拉顿的发明对贝尔实验室来说是‘伟大的圣诞礼物’，但他感到懊恼的是在这关键的具有突破性的发明中自己却没有扮演一个重要的角色。他在约25年后的一次描述中说：‘团队的成功给我带来了喜悦，但这种喜悦随即却被我不是其中的发明人而冲淡’，我感觉到非常沮丧，我个人在这个领域已经工作八年多了，但却没有做出属于我自己的显著发明和贡献。”
图3. 肖克利发明的结型晶体管示意图
1947年的除夕夜，肖克利去芝加哥参加物理学术会议，他一个人在旅馆房间琢磨着, 点接触式晶体管效率低，结构极不稳定，根本无法大量生产，为何不模仿三明治的结构，用三层半导体拼在一起，一边输入，另一边输出，当中一层作为栅极，就像真空三极管那样，由栅极信号控制放大了的输出电流？
经过38天时间的独自秘密钻研，肖克利终于发明了三明治结构的双极性结型晶体管，那是1948年1月23日。一个月后，肖克利也向美国专利局递交了结型晶体管的专利。1950年，他们制成第一个成品，这才是可以量产的晶体管。11月，他发表了经典著作《半导体中的电子和空穴》，从理论上解释了结型晶体管的工作原理，肖克利向世界证明他是一位有极高科学素养的天才人物。事实证明，肖克利的结型晶体管和以后的场效应晶体管才是可以实用和大量生产的，成为信息时代文明的基础。他才是真正的晶体管之父。由于专利的纠纷，巴丁和布拉顿2人和肖克利的关系彻底破裂。
1948年6月30日 ，贝尔实验室骄傲地宣布这项重大发明时，《纽约时报》将此消息登在不起眼的第47页上。起初人们觉得晶体管只不过是像矿石收音那样的东西，太贵了，没啥了不起。只有军事部门才花得起钱用它开发军工产品。肖克利才是最有远见的人，他了解这个发明的巨大发展空间，他第一个指出晶体管会是应用到电脑上的基本元件。还好当时有两位聪明的日本人Ebuka 和 Marita 看到晶体管的远大前景，他们觉得可以用它来制造晶体管收音机，美国人认为这个东西太贵，不愿意生产，于是就授权Ebuka 和 Marita 制造晶体管收音机，他们将公司取名为索尼（Sony），这一下给日本人占了大便宜，从此以后晶体管收音机如雨后春笋般称霸天下。
1951年，巴丁离开贝尔实验室加入伊利诺伊大学。1972年，巴丁因超导理论获得第二个物理诺奖。1955年，肖克利离开贝尔实验室到加州帕洛阿尔托，在好友贝克曼的帮助下1956年创办了肖克利半导体实验室。他的雇员有罗伯特诺伊斯（Robert Noyce），戈登摩尔（Gordon Moore）等8位博士精英，可惜由于他的低劣的管理能力和傲慢性格将一手好牌打得稀烂，如果不是他的个性，他的成就可能比比尔·盖茨还要大。后来这8位天才集体叛逃，离开他而创建了鼎鼎大名的仙童公司（Fairchild）和以后的英特尔公司（Intel）。
如今天下闻名的“硅谷神话”还是因肖克利之火才散播开来。1956年巴丁、布拉顿和肖克利3人因发明晶体管而获得诺贝尔物理奖。后来仙童公司的罗伯特·诺伊斯和德州仪器的杰克·基尔比（Jack Kilby）分别开发出来的集成电路（Integrated Circuit）：在一片硅片上构建复杂的元件和电路，造就了半导体事业的未来。基尔比也荣获2000年诺奖。在公元2000年，英特尔公司生产的硅片薄晶圆的每片芯片含有400万晶体管，每张薄晶圆含有10亿个晶体管。2012年一个高级的微处理器使用的晶体管数量达14亿个。
1967年，布拉顿从贝尔实验室退休后到华盛顿州惠特曼学院任物理教授。（题外话：布拉顿1902年生于福建厦门，1928年在美国明尼苏达大学获得博士学位。）
图4. 各种晶体管
图5. 集成电路芯片
图6. 晶圆（Wafer）图片
图7. 基尔比发明的第一个集成电路
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