晶體管
創新者：一群技術狂人和鬼才程序員如何改變世界 作者：沃爾特·艾薩克森 投票推薦 加入書簽 留言反饋
在這支新建團隊的協助之下，肖克利重新開始研究他在五年前提出的理論，希望找出可以替代真空管的固體材料。他的假設是，如果將一個強電場放置在一塊半導體材料製成的厚板旁邊，這個電場會將部分電子吸引到厚板的表麵，從而產生一股可以擊穿厚板的電流。根據這種現象，半導體也許可以利用微弱的電信號來控製強大得多的電信號。低強度的電流可以作為輸入信號來控製（或者通斷）高強度的輸出電流。這樣的話，半導體也可以像真空管一樣用作放大器或者通斷開關。
然而這種“場效應”（field effect）理論還存在一個小問題：在測試這個理論的時候，肖克利的團隊向一塊金屬板加上了1 000伏特的電壓，然後把它放在距離半導體材料表麵僅為1毫米的位置，但是什麽事情都沒有發生。“電流沒有出現可觀察的變化。”他在實驗記錄中寫道。他後來表示這種情況“十分令人費解”。
找出一個理論失敗的原因可以幫助提出一個更好的理論，所以肖克利要求巴丁為此給出一個解釋。他們對一個叫作“表麵態”的概念進行了長時間的討論，表麵態指的是距離材料表麵最近的原子層的電子性質和量子力學描述。五個月之後，巴丁得出了自己的研究結果。他走到自己與布拉頓共用的黑板前麵，寫下自己的想法。
巴丁發現當一個半導體材料帶電的時候，它的電子會被限製在材料表麵，無法自由移動。這些電子會形成一個屏障，即使是距離僅為1毫米的強大電場也不能穿透這層障礙。“這些新增的電子會被固定在表麵態中，”肖克利表示，“在帶正電的控製板的影響下，表麵態實際上會阻擋來自半導體內部的電子。”18
現在固體物理研究小組有了一項新的任務：找到可以打破在半導體表麵形成的屏障的方法。“我們根據巴丁提出的表麵態概念設計了一些新的實驗，這是我們的研究重點所在。”肖克利解釋道。他們必須突破這層障礙才能讓半導體實現控製、通斷和放大電流的作用。19
這項研究在接下來的一年裏都沒有多大的進展，然而他們卻在1947年11月取得了一係列重大的突破，因此這個月也被稱為“奇跡之月”。巴丁完善了“光伏效應”（photovoltaic effect）的理論，光伏效應指的是光照可以使兩種互相接觸的材料之間產生電壓。他推測這個過程或許可以移除部分形成屏障的電子。與巴丁並肩工作的布拉頓設計出了一些用於測試這個想法的實驗。
從不久之後發生的事情來看，他們確實是得到了幸運之神的眷顧。為了改變實驗的環境溫度，布拉頓將部分實驗放到保溫容器裏麵進行。但是在矽材料上凝結的水滴總是會影響測量的讀數。解決這個問題的最佳方法是將整個實驗裝置放到真空環境中，但是這樣做會非常麻煩。“我確實是個懶惰的物理學家，”布拉頓承認道，“所以我想到了將實驗裝置浸入絕緣液體當中。”20 他在保溫容器裏麵裝滿了水，這種方法可以簡單地避免冷凝的問題。他和巴丁在11月17日嚐試了這種實驗方法，並取得了很好的效果。
那天是星期一。他們在這個星期裏麵不斷地交流各種關於理論和實驗的想法。到了星期五的時候，巴丁想出了一種無須將實驗裝置浸入水中的方法。他認為隻需要在金屬尖端與矽材料接觸的位置放上一滴水或者少量凝膠就可以了。“來吧，約翰，”布拉頓興奮地回應道，“我們一起把它做出來吧。”這種做法的難點在於金屬尖端不可以直接與水滴接觸，不過布拉頓是個隨機應變的天才，他利用少量的封蠟解決了這個問題。他拿出了一塊切割良好的矽材料，然後在上麵滴上一滴水，接著為一段電線塗上一層絕緣的封蠟，最後將電線穿過水滴戳到矽材料上。他們成功了，這個裝置能夠在一定程度上實現放大電流的功能。這個“點觸式”裝置為晶體管的誕生奠定了基礎。
巴丁在第二天早上回到辦公室，並將實驗的結果記錄在自己的筆記本上。“這些測試確實證明了利用電極或柵極控製半導體中的電流是可行的。”他寫下了這樣的總結。21 他在這周的星期天也繼續加班工作，而這通常都是他外出打高爾夫球的日子。他們也認為是時候向肖克利報告當前的研究進展了，後者在過去幾個月裏一直忙於處理其他的事務。在接下來的兩個星期裏，肖克利會經常下來他們的實驗室進行指導，不過他基本上沒有限製這對二人組合的工作，隻是督促他們加快研究的進度。
他們在實驗室的同一張工作台上並肩作戰，巴丁會平靜地提出自己的想法，布拉頓則會興奮地一一測試這些想法。巴丁有時還會在布拉頓的筆記本上寫下實驗的進度。感恩節很快就過去了，但是他們對此渾然不覺，因為他們一直忙於測試各種不同的實驗設計：比如用鍺材料替換矽材料，用油漆替換封蠟，以及將接觸點的材料換成金。
通常來說是巴丁先提出理論，然後由布拉頓負責進行實驗，但有時候這個流程也會反過來：出乎意料的實驗結果會催生出新的理論。在其中一次使用鍺材料的實驗當中，材料產生的電流方向與他們預期的剛好相反，但是這股電流的放大比例超過了300倍，遠遠超出他們之前能夠達到的倍數。於是他們遇到了物理學領域中一個老生常談的情況：他們知道這個方法在實際操作中是可行的，但他們能否找出它的理論依據呢？巴丁很快就做到了這點。他發現電子會在負電壓的影響下逃逸，這樣會導致“電子空穴”的增加，電子空穴是指本來存在電子的位置被空出來的現象。這種空穴的存在會吸引電子的流入。
但是他們遇到了一個問題：這個新的裝置無法放大較高頻率的電流，比如聽覺可辨的聲音，也就是說這種方法不能用在電話裏麵。在經過了理論分析之後，巴丁認為這個問題的原因是水滴或者電解液影響了裝置的性能。他立刻構思了一些其他的設計。其中一個設計是采用金底板作為電場的來源，然後將鍺材料放在距離底板上方非常近的位置上，並將電線的尖端插入鍺材料。這個設計能夠成功地放大電壓，至少可以實現輕微的放大效果，而且它還可以用於較高頻率的電流。巴丁再次為這個偶然的實驗結果給出了理論上的解釋：“這個實驗表明空穴從金底板流向了鍺材料的表麵。”22
就像是在同一台鋼琴上進行的應答二重奏（call-and-response duet）一樣，巴丁和布拉頓仍在繼續他們的反複創新。他們發現提升電流放大比例的最佳方法是使用兩個距離非常近的接觸點，然後將它們同時插到鍺材料上。根據巴丁的計算，兩個觸點之間的距離應該小於0.002英寸。即使對於布拉頓來說，這也是一個相當棘手的難題。但是他最終想出了一個更為巧妙的方法：他先準備了一個箭頭形狀的塑料楔子，並在它的表麵貼上一片金箔，然後用刀片在楔子尖端的金箔處切開一道小口，這樣就形成了兩個距離非常近的金接觸點。“這就是我所做的一切，”布拉頓敘述道，“我用刀片小心翼翼地切開這個回路，然後把它固定到一個彈簧下麵，接著把它按到同一塊鍺材料上。”23
1947年12月16日星期二的下午，當布拉頓和巴丁對這個裝置進行測試的時候，他們見證了奇跡的一幕：這個裝置奏效了。“我發現如果把它扭動到正確的位置，”布拉頓回憶道，“它將會變成一個放大比例達到100倍的放大器，這個量級已經足夠用於聽覺可辯的聲音了。”24 在當天晚上回家的路上，健談的布拉頓向同車的其他同事說自己剛剛完成了“人生中最重要的一次實驗”。然後他請求他們保證不要將此事外傳。25 雖然巴丁在這趟車上保持了一貫的沉默，但是他在晚上回家之後做出了一個不尋常的舉動：他告訴了妻子自己今天的工作情況。當時他的妻子正在廚房的水槽前削蘿卜，他像喃喃自語般地說出了一句話：“今天我們有一個重大的發現。”26
晶體管確實是20世紀最重要的發現之一。這是一位理論家和一位實驗家並肩作戰的工作成果，他們就像是處於共生關係一樣，實時地來回交換各自的理論和實驗結果。他們所處的環境也為晶體管的發明起到了重要的作用，他們可以在這裏的長廊上偶遇熟練掌握鍺材料摻雜技術的專家，或者在這裏的學習小組中與其他人一起探討表麵態的量子力學解釋，又或者和一些精通遠距離電話信號傳輸的工程師共進午餐。
在接下來的星期二，也就是12月23日，肖克利為半導體研究小組的其他成員和貝爾實驗室的幾位高管組織了一場演示活動。在這場演示上，高管人員都戴上了耳機，然後輪流對著一個話筒講話，他們可以在耳機中聽到各自說話的聲音，而這些聲音都是由一台簡易的固體設備放大而成的。這本來是一個應該與亞曆山大·格拉漢姆·貝爾向電話喊出第一句話相提並論的曆史性時刻，但是後來竟然沒有人能想起演示參與者在當天下午對這個裝置說過的話。相反，這個事件隻是被輕描淡寫地記錄在實驗筆記本裏麵。“對該裝置進行接通和斷開操作之後，話音電平得到了聽覺可辨的放大。”布拉頓寫道。27 巴丁的實驗記錄的語氣則更為平淡：“將兩個金製電極接觸到經過特別處理的鍺材料表麵可實現電壓放大。”28
然而這種“場效應”（field effect）理論還存在一個小問題：在測試這個理論的時候，肖克利的團隊向一塊金屬板加上了1 000伏特的電壓，然後把它放在距離半導體材料表麵僅為1毫米的位置，但是什麽事情都沒有發生。“電流沒有出現可觀察的變化。”他在實驗記錄中寫道。他後來表示這種情況“十分令人費解”。
找出一個理論失敗的原因可以幫助提出一個更好的理論，所以肖克利要求巴丁為此給出一個解釋。他們對一個叫作“表麵態”的概念進行了長時間的討論，表麵態指的是距離材料表麵最近的原子層的電子性質和量子力學描述。五個月之後，巴丁得出了自己的研究結果。他走到自己與布拉頓共用的黑板前麵，寫下自己的想法。
巴丁發現當一個半導體材料帶電的時候，它的電子會被限製在材料表麵，無法自由移動。這些電子會形成一個屏障，即使是距離僅為1毫米的強大電場也不能穿透這層障礙。“這些新增的電子會被固定在表麵態中，”肖克利表示，“在帶正電的控製板的影響下，表麵態實際上會阻擋來自半導體內部的電子。”18
現在固體物理研究小組有了一項新的任務：找到可以打破在半導體表麵形成的屏障的方法。“我們根據巴丁提出的表麵態概念設計了一些新的實驗，這是我們的研究重點所在。”肖克利解釋道。他們必須突破這層障礙才能讓半導體實現控製、通斷和放大電流的作用。19
這項研究在接下來的一年裏都沒有多大的進展，然而他們卻在1947年11月取得了一係列重大的突破，因此這個月也被稱為“奇跡之月”。巴丁完善了“光伏效應”（photovoltaic effect）的理論，光伏效應指的是光照可以使兩種互相接觸的材料之間產生電壓。他推測這個過程或許可以移除部分形成屏障的電子。與巴丁並肩工作的布拉頓設計出了一些用於測試這個想法的實驗。
從不久之後發生的事情來看，他們確實是得到了幸運之神的眷顧。為了改變實驗的環境溫度，布拉頓將部分實驗放到保溫容器裏麵進行。但是在矽材料上凝結的水滴總是會影響測量的讀數。解決這個問題的最佳方法是將整個實驗裝置放到真空環境中，但是這樣做會非常麻煩。“我確實是個懶惰的物理學家，”布拉頓承認道，“所以我想到了將實驗裝置浸入絕緣液體當中。”20 他在保溫容器裏麵裝滿了水，這種方法可以簡單地避免冷凝的問題。他和巴丁在11月17日嚐試了這種實驗方法，並取得了很好的效果。
那天是星期一。他們在這個星期裏麵不斷地交流各種關於理論和實驗的想法。到了星期五的時候，巴丁想出了一種無須將實驗裝置浸入水中的方法。他認為隻需要在金屬尖端與矽材料接觸的位置放上一滴水或者少量凝膠就可以了。“來吧，約翰，”布拉頓興奮地回應道，“我們一起把它做出來吧。”這種做法的難點在於金屬尖端不可以直接與水滴接觸，不過布拉頓是個隨機應變的天才，他利用少量的封蠟解決了這個問題。他拿出了一塊切割良好的矽材料，然後在上麵滴上一滴水，接著為一段電線塗上一層絕緣的封蠟，最後將電線穿過水滴戳到矽材料上。他們成功了，這個裝置能夠在一定程度上實現放大電流的功能。這個“點觸式”裝置為晶體管的誕生奠定了基礎。
巴丁在第二天早上回到辦公室，並將實驗的結果記錄在自己的筆記本上。“這些測試確實證明了利用電極或柵極控製半導體中的電流是可行的。”他寫下了這樣的總結。21 他在這周的星期天也繼續加班工作，而這通常都是他外出打高爾夫球的日子。他們也認為是時候向肖克利報告當前的研究進展了，後者在過去幾個月裏一直忙於處理其他的事務。在接下來的兩個星期裏，肖克利會經常下來他們的實驗室進行指導，不過他基本上沒有限製這對二人組合的工作，隻是督促他們加快研究的進度。
他們在實驗室的同一張工作台上並肩作戰，巴丁會平靜地提出自己的想法，布拉頓則會興奮地一一測試這些想法。巴丁有時還會在布拉頓的筆記本上寫下實驗的進度。感恩節很快就過去了，但是他們對此渾然不覺，因為他們一直忙於測試各種不同的實驗設計：比如用鍺材料替換矽材料，用油漆替換封蠟，以及將接觸點的材料換成金。
通常來說是巴丁先提出理論，然後由布拉頓負責進行實驗，但有時候這個流程也會反過來：出乎意料的實驗結果會催生出新的理論。在其中一次使用鍺材料的實驗當中，材料產生的電流方向與他們預期的剛好相反，但是這股電流的放大比例超過了300倍，遠遠超出他們之前能夠達到的倍數。於是他們遇到了物理學領域中一個老生常談的情況：他們知道這個方法在實際操作中是可行的，但他們能否找出它的理論依據呢？巴丁很快就做到了這點。他發現電子會在負電壓的影響下逃逸，這樣會導致“電子空穴”的增加，電子空穴是指本來存在電子的位置被空出來的現象。這種空穴的存在會吸引電子的流入。
但是他們遇到了一個問題：這個新的裝置無法放大較高頻率的電流，比如聽覺可辨的聲音，也就是說這種方法不能用在電話裏麵。在經過了理論分析之後，巴丁認為這個問題的原因是水滴或者電解液影響了裝置的性能。他立刻構思了一些其他的設計。其中一個設計是采用金底板作為電場的來源，然後將鍺材料放在距離底板上方非常近的位置上，並將電線的尖端插入鍺材料。這個設計能夠成功地放大電壓，至少可以實現輕微的放大效果，而且它還可以用於較高頻率的電流。巴丁再次為這個偶然的實驗結果給出了理論上的解釋：“這個實驗表明空穴從金底板流向了鍺材料的表麵。”22
就像是在同一台鋼琴上進行的應答二重奏（call-and-response duet）一樣，巴丁和布拉頓仍在繼續他們的反複創新。他們發現提升電流放大比例的最佳方法是使用兩個距離非常近的接觸點，然後將它們同時插到鍺材料上。根據巴丁的計算，兩個觸點之間的距離應該小於0.002英寸。即使對於布拉頓來說，這也是一個相當棘手的難題。但是他最終想出了一個更為巧妙的方法：他先準備了一個箭頭形狀的塑料楔子，並在它的表麵貼上一片金箔，然後用刀片在楔子尖端的金箔處切開一道小口，這樣就形成了兩個距離非常近的金接觸點。“這就是我所做的一切，”布拉頓敘述道，“我用刀片小心翼翼地切開這個回路，然後把它固定到一個彈簧下麵，接著把它按到同一塊鍺材料上。”23
1947年12月16日星期二的下午，當布拉頓和巴丁對這個裝置進行測試的時候，他們見證了奇跡的一幕：這個裝置奏效了。“我發現如果把它扭動到正確的位置，”布拉頓回憶道，“它將會變成一個放大比例達到100倍的放大器，這個量級已經足夠用於聽覺可辯的聲音了。”24 在當天晚上回家的路上，健談的布拉頓向同車的其他同事說自己剛剛完成了“人生中最重要的一次實驗”。然後他請求他們保證不要將此事外傳。25 雖然巴丁在這趟車上保持了一貫的沉默，但是他在晚上回家之後做出了一個不尋常的舉動：他告訴了妻子自己今天的工作情況。當時他的妻子正在廚房的水槽前削蘿卜，他像喃喃自語般地說出了一句話：“今天我們有一個重大的發現。”26
晶體管確實是20世紀最重要的發現之一。這是一位理論家和一位實驗家並肩作戰的工作成果，他們就像是處於共生關係一樣，實時地來回交換各自的理論和實驗結果。他們所處的環境也為晶體管的發明起到了重要的作用，他們可以在這裏的長廊上偶遇熟練掌握鍺材料摻雜技術的專家，或者在這裏的學習小組中與其他人一起探討表麵態的量子力學解釋，又或者和一些精通遠距離電話信號傳輸的工程師共進午餐。
在接下來的星期二，也就是12月23日，肖克利為半導體研究小組的其他成員和貝爾實驗室的幾位高管組織了一場演示活動。在這場演示上，高管人員都戴上了耳機，然後輪流對著一個話筒講話，他們可以在耳機中聽到各自說話的聲音，而這些聲音都是由一台簡易的固體設備放大而成的。這本來是一個應該與亞曆山大·格拉漢姆·貝爾向電話喊出第一句話相提並論的曆史性時刻，但是後來竟然沒有人能想起演示參與者在當天下午對這個裝置說過的話。相反，這個事件隻是被輕描淡寫地記錄在實驗筆記本裏麵。“對該裝置進行接通和斷開操作之後，話音電平得到了聽覺可辨的放大。”布拉頓寫道。27 巴丁的實驗記錄的語氣則更為平淡：“將兩個金製電極接觸到經過特別處理的鍺材料表麵可實現電壓放大。”28