其实就是晶体管的发展即半导体特性

大家新年快乐我是小枣君

春节后的第一篇原创文章，我来补个坑，把年前的文章《电子管是什么》的续篇写完，也就是今天的文章——《什么是晶体管》。

在上一篇文章中，我向大家提到电子管虽然可以实现探测和放大，但是它有很多缺点，体积大，故障率高，容易损坏，发热量大，能耗高。

因为这些缺点，专家们一直在思考，是否有性能更好，缺点更少的元器件可以替代电子管，支撑电子行业的长远发展。

想着想着，他们把目光放在了矿石探测器上。

矿石探测器——世界上最早的半导体器件

矿石探测器比电子管还要古老它利用了某些天然矿石的单向导电特性

这个功能其实并不新颖这个特征在很多很多年前就被发现了

1782年，意大利著名物理学家亚历山德罗·伏特发现，固体物质大致可以分为三种:

第一，金，银，铜，铁等金属导电性很强，称为导体，

二是木材，玻璃，陶瓷，云母等材料。不导电的称为绝缘体，

第三种在导体和绝缘体之间，会慢慢放电。

第三种材料的奇妙特性，伏特将其命名为半导体性质，即半导体特性这是人类历史上第一次出现半导体一词

亚历山德罗夫

后来很多科学家有意无意的发现了一些半导体的特性。例如:

1833年，迈克尔·法拉第发现，硫化银温度升高，电阻会降低。

1839年，法国科学家亚历山大·贝克雷尔发现，光可以在某些材料的两端产生电位差。

1873年，Willerby Smith发现，在光的照射下，硒材料的导电性会增加。

。

当时没有人能解释这些现象，也没有引起太多关注。

1874年，德国科学家卡尔·布劳恩发现了上述天然矿石的单向电流传导特性这是一个巨大的里程碑

卡尔·布朗

不幸的是，布劳恩并没有重视这一发现，而是转向研究阴极射线管。

后来，海因里希·赫兹成功证实了无线电磁波的存在，布劳恩又转而研究无线电他与马可尼合作，极大地改进了早期的无线通信系统他们一起获得了1909年的诺贝尔物理学奖

1906年，美国工程师格林利夫·惠特尔皮卡德发明了著名的基于黄铜矿石晶体的晶体探测器，也被称为猫胡子探测器。

矿石探测器

矿石探测器是最早的半导体器件它的出现是对半导体材料的一次顿悟虽然它有一些缺陷，但它有力地促进了无线电通信的发展基于矿石探测器的无线电产品被广泛使用，大大增强了人类信息的传递

人们使用矿物探测器，但仍然不能理解它的工作原理在接下来的30年里，人们反复思考——为什么会有半导体材料为什么半导体材料可以实现单向导电

早期很多人甚至怀疑半导体材料是否真的存在著名物理学家泡利曾经说过:人们不应该研究半导体这是一个肮脏的烂摊子谁知道有没有半导体

量子力学——半导体的理论基石

1904年，世界上第一支电子管诞生，标志着电子管时代的开始电子管的兴起降低了人们对矿石探测器和半导体技术的热情

后来伴随着量子力学的诞生和发展，半导体的理论研究终于有了突破。

1928年，德国物理学家，量子力学的创始人之一马克斯·普朗克在将量子力学应用于金属导电的研究中，首次提出了固体能带理论。

量子理论之父普朗克

他认为，在外加电场的作用下，半导体导电分为空穴导电和电子导电半导体的许多奇怪特性是由空穴和电子共同决定的

能带理论的出现第一次科学地解释了为什么固体可以分为绝缘体，导体和半导体。

1931年，英国物理学家查理·威尔森在能带理论的基础上提出了半导体的物理模型，奠定了半导体学科的理论基础。

1939年，苏联物理学家ас达维多夫，英国物理学家内维尔·弗朗西斯·莫脱和德国物理学家华特·萧特基都对半导体的基础理论做出了贡献达维多夫首先认识到了半导体中少数载流子的作用，而肖特基和莫特提出了著名的扩散理论

基于这些大佬的贡献，逐渐奠定了半导体基础理论大厦的基石。

·贝尔实验室——一个充满奇迹的地方

要推动半导体的发展和应用，只有理论是不够的，技术也要跟上。

矿石探测器诞生后，科学家发现这种探测器的性能与矿石的纯度有很大关系矿石纯度越高，检波器的性能越好

因此，许多科学家对矿石材料的提纯进行了研究，提纯工艺也不断改进。

在这里，我要提到人类历史上最伟大的实验室——贝尔实验室。

后来因为意识到电子管，ATamp等基础研究的价值，1925年，T收购了西方电气的研究部门，并在此基础上成立了贝尔实验室。

贝尔实验室大楼

20世纪30年代，贝尔实验室的科学家拉塞尔·奥尔提出，由提纯的晶体材料制成的探测器将完全取代电子二极管要知道，当时电子管处于绝对的市场主导地位

拉塞尔·奥尔，他也是现代太阳能电池之父。

在逐一测试了100多种材料后，他认为硅晶体是制作地震检波器最理想的材料为了验证自己的结论，他在同事杰克·斯卡夫(Jack Skaff)的帮助下提取了一个高纯度的硅晶体聚变体

因为贝尔实验室没有切割硅晶体的能力，奥尔把这个融合体送到珠宝店，切割成不同大小的晶体样品没想到的是，其中一个样品，经过光照后，出现了一端是正极，另一端是负极的情况，Orr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默文·凯利。

默文·凯利

默文·凯利是半导体发展史上的重要人物1917年，加入ATampt，从事电子管的研究30年代后期，电子管研究逐渐进入瓶颈Mervyn Kelly发现半导体晶体材料是未来的发展方向

影响默文·凯利的不仅仅是奥尔。

1939年9月，第二次世界大战爆发为了合作对抗德国，英国全面加强了与美国的技术合作其中，英国带来的一个重要合作项目是他们在1935年发明的雷达技术

英国早期的雷达网发挥了很大的作用。

雷达技术实际上是无线电技术的延伸雷达的性能与电子设备密切相关当时电子管是行业主流，但由于信噪比差，工作不稳定，容易出故障，被军方拒之门外

二战期间，ATampt的西部电气公司已经制造了许多基于纯化半导体晶体的硅晶体二极管这些二极管体积小，故障率低，大大提高了盟军雷达系统的工作性能和可靠性

奥尔发明PN结和硅晶体二极管的优异性能，坚定了默文·凯利发展晶体管技术的决心他秘密决定领导贝尔实验室，全部是半导体实验室

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，默文·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一个是固态物理研究组

按照默文·凯利的想法，固态物理研究组成立的目的是在固态物理理论的指导下，寻找物理和化学方法来控制组成固体的原子和电子的排列和行为，并产生新的有用的性质。

说白了，其实就是晶体管的发展。

固体物理研究组内部分为半导体和冶金两个组半导体团队的领导者是麻省理工学院的博士威廉·肖克利

威廉·肖克利。

肖克利是一个传奇人物他于1910年2月13日出生在英国伦敦后来，他被麻省理工学院录取，学习量子物理

1936年，在获得博士学位后，肖克利被默文·凯利邀请加入贝尔实验室研究固态物理1939年，肖克利根据莫特—肖特基整流理论和自己的实验结果提出了一个非常重要的场效应理论

1942年，肖克利短暂离开贝尔实验室，加入军事研究所，从事深水炸弹和雷达投弹瞄准器的研究。

特别值得一提的是，二战后期，肖克利受美国政府邀请，做了一份关于进攻日本本土的伤亡评估报告这份报告极大地影响了后来美国的对日战略，也间接影响了美国投下原子弹的决定

二战后，为表彰肖克利的贡献，美国政府授予他国家功勋勋章，这是美国平民所能获得的最高荣誉勋章后来，带着一身荣誉，肖克利回到了贝尔实验室

除了肖克利，贝尔实验室的固态物理研究组也有很多大牛，比如半导体专家皮尔逊，物理化学家R.B .吉布尼，电子电路专家H.R .摩尔，理论物理学家J .巴丁和实验物理学家沃尔特. H .布拉坦因。

对了，这个沃尔特·布拉顿1902年出生在中国厦门，1903年回到美国。

沃尔特·布拉顿

一直致力于硅和锗晶体提纯工艺的半导体专家拉塞尔·奥尔和戈登·基德提尔(Gordon Kiddtiel)也支持固体物理研究组的相关工作。

课题组前期工作并不顺利在成立后的一年里，他们根据肖克利的理论假设进行了大量实验，但没有取得任何成果

1946年，基于肖克利的场效应理论，约翰·巴丁提出了表面态理论，解决了长期困扰大家的问题。

约翰·巴丁

后来，约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿摸索着前进最后，在1947年12月23日，他们制成了世界上第一台半导体晶体管放大器

世界上第一个晶体管

在实验笔记中，布拉顿抑制住内心的激动，一丝不苟地写道:电压增益100，功率增益40，电流损耗1/2.5。

皮尔逊，摩尔和肖克利在现场观察了他们的实验，并在布拉顿的笔记上签名以示认可和证明。

在命名时，巴丁和布拉顿认为这种器件能够放大信号是因为它的电阻转换特性，即信号从低阻输入变为高阻输出所以他们把它命名为跨阻后来缩写为晶体管中国著名科学家钱学森把它翻译成中文就是晶体管

我总结一下，半导体特性是一种特殊的导电性具有半导体特性的材料称为半导体材料硅和锗是典型和重要的半导体材料

微观上，按照一定规律排列整齐的物质叫做晶体硅晶体有单晶，多晶和非晶

晶体形貌决定能带结构，能带结构决定电学特性因此，作为一种半导体材料，硅晶体具有如此巨大的应用价值

二极管，三极管和四极管就是根据这个函数命名的电子管和晶体管(硅晶体管和锗晶体管)原则上命名

后来以晶体管为基础，电路越做越小，集成在硅等半导体材料上，称为集成电路集成电路越来越小，电路规模越来越大(大规模集成电路)，已经成为众所周知的芯片

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，有一个人心里百感交集这个人就是肖克利

肖克利是该团体的领导者，也是重要的理论创始人但他基本没有参与巴丁和布拉顿在后期关键阶段的研究工作事实上，他曾经认为巴丁和布拉顿没有自己的帮助是不可能成功的

被打脸之后，肖克利陷入了尴尬的境地——他认为自己是晶体管的发明者之一，应该有权签署专利其他大部分人认为肖克利与这项发明没有直接关系，不应该署名甚至在后来申请专利的时候，团队还特别向律师提出了一个要求:必须排除肖克利

为什么这么不愉快在这里，小举君必须解释一下肖克利的奇特性格

威廉·布拉德福德·肖克利

肖克利是一个科学天才在技术领域，他拥有毋庸置疑的知识和能力但他在待人接物和团队管理上有很大的缺点按照现在的话来说就是高智商低情商

他傲慢古怪，对同事和下属都很刻薄所以很多人都不敢避开他很少有人能和他保持良好的关系

这么差的人际关系，真的不参与任何团队工作，肖克利的专利签名诉求自然不会得到大家的支持连贝尔实验室的高层都警告了肖克利，这对他打击很大

气愤之下，肖克利决定:既然你不带我玩，我就自己玩。

巴丁和布拉顿发明的晶体管其实应该叫点接触晶体管从下图可以看出，这个设计太简单了虽然实现了放大功能，但结构脆弱，对外界振动敏感，制造困难，无法商业化应用

肖克利看到了这个缺陷，开始研究新的晶体管设计日前，经过一个多月的努力，肖克利提出了三层结构的新型晶体管模型，并命名为结型晶体管日前，肖克利如愿获得了一项以自己名字命名的专利(专利号:US2569347A)

肖克利的专利一开始受到广泛质疑，很多人认为这种模式无法实现后来在1950年，肖克利的同事兼朋友摩根·斯卡帕斯与戈登·泰尔合作，经过一系列尝试，用提拉法成功制造出了NPN晶体管，这就是肖克利的名字

晶体管肖克利。

今年11月，肖克利出版了论述半导体器件原理的《半导体中的电子和空穴》一书，从理论上详细阐述了结型晶体管的原理。

1951年初，结型晶体管的指标超过了点接触型晶体管肖克利对晶体管发明的贡献终于得到了贝尔实验室的一致认可

半导体行业爆发，研究团队解散。

晶体管的诞生对人类科技的发展具有重大意义它具有电子管的能力，但又克服了电子管的缺点从它诞生的那一刻起，就决定了它将完全取代电子管

20世纪50年代，晶体管的发展进入井喷期晶体提纯技术，光刻技术等全面爆发，可以说是日新月异

生产晶体管的工人。

1953年，第一台电池供电的晶体管收音机投放市场上市后受到人们的热烈欢迎，销量很好

1954年，世界上第一台晶体管计算机TRADIC在美国空军投入使用其运行功耗不超过100W，体积不超过1立方米，与当年的ENIAC相差甚远

被称为超级计算机的TRADIC

从1954年到1956年，美国售出了1700万个锗晶体管和1100万个硅晶体管，价值约5500万美元。

值得一提的是，当初贝尔实验室是晶体管技术的专利拥有者，也是技术的主要掌握者后来由于美国的反垄断法，贝尔实验室主动将半导体专利授权给其他厂商这进一步促进了半导体技术的普及

后来，日益壮大的晶体管家族。

1956年，肖克利，巴丁和布拉顿因发明晶体管获得诺贝尔物理学奖。

三位大佬，历史上赫赫有名。

事实上，到这个时候，贝尔实验室的晶体管创始团队已经分崩离析。

晶体管研制成功后，由于对肖克利的打压不满，沃尔特·布拉顿申请换部门，去了另一个研究组。

1951年，约翰·巴丁离开贝尔实验室，去了伊利诺伊大学成为一名教授后来因为在超导领域的贡献，他又获得了诺贝尔奖

1952年，戈登·泰尔(Gordon Thiel)离职，加入德州仪器(Texas Instruments)，帮助公司成为未来的半导体巨头。

1954年，肖克利在贝尔实验室呆不下去了，去加州理工学院教书后来在1956年，他来到了美国西部加利福尼亚州的山景城，在一个名叫帕洛阿尔托的小城建立了肖克利半导体实验室，开始了自己的新事业

没想到几年后，肖克利的老习惯又重蹈覆辙，赶走了他的八个徒弟，再次成为一个不合群的人。

他的八个徒弟，著名的八大叛徒八大汉奸离职后成立的飞兆半导体，不仅开创了世界半导体行业的格局，也改变了人类历史的走向

八大汉奸，芯片界的八神

嗯，这就是晶体管诞生的故事限于篇幅，本文不详细介绍晶体管的技术细节，以后找机会再介绍吧

内容比较长，谢谢大家的耐心下一篇文章，小枣君会告诉你集成电路的诞生，以及诺伊斯和基尔比的专利战