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1、1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——晶體管的發(fā)明1581956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——晶體管的發(fā)明1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國加利福尼亞州景山(MountainView)貝克曼儀器公司半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室的肖克利(WilliamShockley,1910—1989)、美國伊利諾斯州烏爾班那伊利諾斯大學(xué)的巴?。↗ohnBardeen,1908—1991)和美國紐約州繆勒海爾(MurrayHill)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的布拉坦(WalterBrattain,19
2、02—1987),以表彰他們對(duì)半導(dǎo)體的研究和晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。晶體管的發(fā)明是20世紀(jì)中葉科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有劃時(shí)代意義的一件大事。由于晶體管比電子管有體積小、耗電省、壽命長(zhǎng)、易固化等優(yōu)點(diǎn),它的誕生使電子學(xué)發(fā)生了根本性的變革,它撥快了自動(dòng)化和信息化的步伐,從而對(duì)人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)和文化產(chǎn)生了不可估量的影響。應(yīng)該指出,晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是科學(xué)家長(zhǎng)期探索的結(jié)晶,更是基礎(chǔ)研究引向應(yīng)用開發(fā)的必然成果。半導(dǎo)體的研究可以追溯到19世紀(jì),例如,1833年法拉第曾經(jīng)
3、觀察過某些化合物(例如硫化銀)電阻具有負(fù)溫度系數(shù)。這是半導(dǎo)體效應(yīng)的先聲。1874年,布勞恩(F.Braun)注意到金屬和硫化物接觸時(shí)有整流特性,而1876年亞當(dāng)斯(W.G.Adams)等人發(fā)現(xiàn)光生電動(dòng)勢(shì)。1883年,弗利茲(C.E.Fritts)制成第一個(gè)實(shí)用的硒整流器。無線電報(bào)出現(xiàn)后,礦石作為檢波器被廣泛應(yīng)用,主要成分是硫化銅,后來用上了硅和鍺。氧化銅整流器和硒光電池的商品化,要求科學(xué)家深入研究有關(guān)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)和原理。1926年,索末菲
4、用費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)解釋了金屬中電子的行為。他的學(xué)生布洛赫(F.Bloch)研究晶體點(diǎn)陣對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的影響,提出在周期性勢(shì)場(chǎng)中電子占據(jù)的能級(jí)可能形成能帶。1931年A.H.威耳遜(A.H.Wilson)進(jìn)一步對(duì)固體提出量子力學(xué)模型,用能帶理論解釋導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的行為特征,其中包括半導(dǎo)體電阻的負(fù)溫度系數(shù)和光電導(dǎo)現(xiàn)象。后來,他又提出雜質(zhì)能級(jí)概念,對(duì)摻雜半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理作出了說明。能帶理論的提出是固體物理學(xué)的一大飛躍,但它還不能解釋半導(dǎo)體的整
5、流特性和光生電動(dòng)勢(shì)等表面現(xiàn)象。1939年莫特(N.F.Mott)和肖特基(W.Schottky)各自獨(dú)立地提出可以解釋阻擋層整流的擴(kuò)散理論。后來,賽茲(F.Seitz)和巴丁繼續(xù)用能帶理論研究電子和點(diǎn)陣的相互作用,逐漸形成半導(dǎo)體物理學(xué)。與此同時(shí),由于低溫技術(shù)和真空技術(shù)的發(fā)展,半導(dǎo)體各種性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究得到加強(qiáng)。區(qū)域熔煉,摻雜控制等工藝的出現(xiàn)使得半導(dǎo)體器件的制備成為可能。然而,如果沒有貝爾實(shí)驗(yàn)室有遠(yuǎn)見的集體攻關(guān),晶體管發(fā)明的歷史也許會(huì)是另一
6、個(gè)樣子,信息時(shí)代的到來也許要推遲若干年。貝爾實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建于1925年,它隸屬于美國電話電報(bào)公司(AT&T)及其子公司西方電器公司,后來幾經(jīng)并轉(zhuǎn),發(fā)展成為“全美最大的制造發(fā)明工廠”。1987年職工人數(shù)21000人,其中專家3400人,研究經(jīng)費(fèi)20億美元,是世界最大的由企業(yè)經(jīng)辦的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室之一,歷年來發(fā)明了有聲電影(1926年)、電動(dòng)計(jì)算機(jī)(1937年)、晶體管(1947年)、激光器(1960年),發(fā)現(xiàn)電子衍射(1927年)和宇宙微波背景輻射
7、(1965年)等等,先后有多位科學(xué)家獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。貝爾實(shí)驗(yàn)室視基礎(chǔ)研究為戰(zhàn)略需要,而基礎(chǔ)研究面向?qū)嶋H應(yīng)用,和開展新技術(shù)緊密結(jié)合,使支持它的企業(yè)以技術(shù)領(lǐng)先在世界上立于不敗之地。正是這一方針,導(dǎo)致晶體管不是在別的地方,而是在這個(gè)一貫重視半導(dǎo)體研究的貝爾實(shí)驗(yàn)室問世。1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——晶體管的發(fā)明160起接觸電位的變化。這就產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)。為了研究光生電動(dòng)勢(shì)的變化,小組成員做了大量實(shí)驗(yàn),其中包括測(cè)量鍺和硅的接觸電位與溫度的關(guān)系。
8、為了避免水汽凝結(jié)在半導(dǎo)體表面,他們把樣品和參考電極浸在液體中,所用的液體實(shí)際上是電解質(zhì),例如普通的水,電解質(zhì)可以起導(dǎo)電作用。他們發(fā)現(xiàn),液滴浸潤會(huì)使光生電動(dòng)勢(shì)大大增加。而且,如果改變樣品與電極之間電壓的大小和極性時(shí),光生電動(dòng)勢(shì)也隨之改變。經(jīng)過討論,他們很快就明白了,這正是肖克利指出的場(chǎng)效應(yīng)。電解液改變了半導(dǎo)體表面的電荷分布和電位分布,從而影響到半導(dǎo)體表面的導(dǎo)電性。這一發(fā)現(xiàn)促使固體物理小組增強(qiáng)了利用場(chǎng)效應(yīng)達(dá)到放大作用的信心。又是富有創(chuàng)見的巴
9、丁第一個(gè)提出新的方案。他根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)原理設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體放大器件的幾何裝臵圖,與布拉坦商議后,立即到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。他們用一層薄石蠟封住金屬針尖,再把針尖插入p型硅片經(jīng)過處理已經(jīng)變成n型的表面內(nèi)(圖56-1)。在針尖周圍放一滴水作電解液,使水接觸到硅表面。針與水互相絕緣。果然,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)計(jì)相符:加在水和硅片之間的電壓會(huì)改變從硅片流向針尖的電流。就在這天,他們獲得了半導(dǎo)體器件的功率放大效應(yīng)。他們改用n型鍺來做實(shí)驗(yàn),放大效果更好。眼看半導(dǎo)體放大器
10、件成功了,然而,事情并沒有那么簡(jiǎn)單,這種裝臵并沒有實(shí)用價(jià)值。首先一個(gè)問題是,水易于蒸發(fā),難以維持穩(wěn)定的表面態(tài),即使改用不易揮發(fā)的硼酸二醇,也還存在響應(yīng)頻率過低的問題。這個(gè)裝臵只能在8Hz以下的頻率工作。電解液的動(dòng)作太緩慢了,必須想辦法改進(jìn)。在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中,他們注意到電解液下面的鍺表面有一層氧化膜,氧化膜是絕緣的,于是就直接在氧化膜上蒸鍍一個(gè)金點(diǎn)作為電極,氧化膜在金點(diǎn)與鍺片之間起絕緣作用。在金點(diǎn)中央留一小孔以便讓針尖與鍺片接觸。然而當(dāng)他
11、們?cè)趦蓸O之間加上電壓時(shí),意外的事出現(xiàn)了。針尖與金點(diǎn)之間發(fā)生了放電現(xiàn)象,繼而鍺片流向針尖的電流大增。原來,氧化膜不甚牢靠,絕緣層很容易就被破壞了。顯然這一方案是行不通的。但是,他們一點(diǎn)也沒有泄氣。他們決定在鍺表面上做兩個(gè)充分靠近的點(diǎn)接觸,他們想方設(shè)法把兩根極細(xì)的金絲以最近的距離接觸鍺片,金絲的直徑約5密耳(1密耳=103英寸=25.4μm),兩根絲的間距要小于2密耳,這在工藝上簡(jiǎn)直是無法實(shí)現(xiàn)的難題。然而,實(shí)驗(yàn)技術(shù)非常高明的布拉坦竟想出了一
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