【影響世界的專利】晶體管

晶體管

晶體管專利圖

晶體管是廣泛用於放大、控制和產生電信號的固體器件。晶體管徹底改變了電子線路的結構，因其尺寸小、成本低、功耗小、可靠性高，使得制造高速電子計算機之類的設備所需的復雜電路成為可能，又催生后來的集成電路。晶體管的問世，開創了微電子學時代，也是現代歷史中最偉大的發明之一。其發明人，美國貝爾電話實驗室的J.巴丁、W.H.布拉頓和W.B.肖克萊由此共獲1956年諾貝爾物理學獎。

在第二次世界大戰前，人們通過研究已經知道半導體材料是傳導弱電流的材料，並有人已在通信系統中使用，如在礦石收音機和電話系統中的應用。美國貝爾電話實驗室也已開始研究以半導體為重點的固體物理。他們獲悉摻有某種極微量雜質的鍺晶體的性能比方鉛礦晶體檢波性能好，可以與電子管這方面的性能相比。當時研究人員W.B.肖克萊預言“從外界導入電荷能移動半導體中的電子，以使它起放大器作用” *。戰爭中斷了該研究。但是，戰爭期間，其他部門的相關研究仍在進行，如Purdue大學研究認為，鍺是很有用的材料﹔其他實驗室也進行硅和鍺材料的制造和理論方面的研究，這些無疑對以后的晶體管發明是非常有利的。第二次世界大戰一結束，貝爾電話實驗室成立了以W.B.肖克萊為首的晶體管物理學研究室，成員包括J.巴丁和W.H.布拉頓等，重點研究硅、鍺等半導體材料，探索這些材料制作放大器等電路器件的可能性。

美國發明人J.巴丁和W.H.布拉頓於1948年6月17日提出了專利申請，並在1950年10月3日獲得美國第2524035號專利，發明名稱為《利用半導體材料的三極電路器件》。該發明是有關諸如為放大作用、信號發生等目的而調節電變量的新方法和手段。根據發明說明書記載，該發明的主要目的，一是使用小型、簡單和抗干擾強的新型器件放大或調節電信號或電變量﹔二是提供用於放大器或類似裝置的電路器件，它不需要為其發射而加熱的熱電子發射陰極，而是一打開就立即發射的﹔三是提供這樣的電路器件不需要真空或充氣密封。也就是要克服當時老的收音機和許多其他電子設備中作為電路器件是真空管而體積大、笨重並要加熱才能工作，需要熱源的缺陷，從而提供替代真空管的小型、無需加熱、小電子產品所需的新型電路器件。該發明的技術解決方案是這樣的：在一個構件中使用半導體片，在其上設置三個電極，其中一個為集電極，它與半導體片的基體接觸形成整流器﹔另一個電極為發射極，它也應與半導體片的基體接觸形成整流器﹔第三個電極為基極，它應與半導體的基體接觸形成一個低電阻。當用作放大器時，通常就半導體片的基體而言在便於電流流過的方向對發射極加正向偏置﹔相反，對集電極要反向偏置。由於發射是正向偏壓，所以發射電流對基極和發射極之間的電位很小變化是很敏感的，射極電流小變化會使整個集電極電流發生大的變化，又由於集電極高電阻整流接觸，與其內部高電阻相匹配集電極電路可包括一個高阻抗負載，因此，使得輸入信號電壓放大，電流放大和功率放大。下面結合附圖對該專利進一步說明：圖1是一個框圖，部分地透視，展示該發明一個推薦實施例﹔圖1A是圖1的部分橫截面放大圖，圖3是與圖1等同的真空管線路圖。結合圖1和圖1A，諸如鍺之類的半導體1的下部的表面鋪有金屬膜2用作基極，該片1是N型傳導性半導體﹔在上表面的薄層3是P型傳導性半導體﹔將該P型材料層從該半導體片的基體的N型材料中分隔的分界面4是作為類似高電阻整流阻擋層﹔第一極5代表發射極，與片的上表面接觸，即與P型層3接觸，最好是中心附近的某一點，這種接觸對片1的基體來說應是整流型的，它可以是直徑為0.5至5密耳（1密耳等於0.001英吋）的彈性材料導線，該接觸為點接觸，用1至10克的力將該經過研磨的導線端點引入與片1的上表面接觸，在其上發生點的金屬冷變形，使其與片表面任何微小的不規則相適應，為此，該點的導線相對於片1的材料是可塑的，適合的材料，如鎢、銅和磷青銅等﹔第二極6代表集電極，它與發射極5非常靠近並與片的上表面3相接觸，沿表面測量集電極和發射極之間距離最好為1至10密耳，這電極6與半導體片整流接觸，是尖頭的彈性導線，如前述方式形成與發射極5相關聯，另一方面，它可以由很少量的諸如金的金屬構成接觸端，在最后干燥工序中通過升華使金屬逸散在片的上表面上﹔第三聯接稱為基極，通過焊接或其他方式，將金屬薄膜安置在片1的下表面上。該專利包含40個權利要求，其中17個是獨立權利要求。獨立權利要求多，主要原因是它是一個開創性的發明，諸如電極引線、設置方式、參雜型材料不同結構上不同的電路器件以及諸如作為放大器、電阻轉換器、信號調制器等不同專門用途都作為獨立權利要求。

該專利主要揭示了一種點接觸型的鍺晶體管，導致了晶體管的問世，但是這種晶體管噪聲較大，放大倍數有限，也不能控制較高功率，阻礙了它的使用范圍。第二年，W.B.肖克萊針對這些問題，又研究成功了面結型晶體管，為此，他獲得了美國第2569347號專利。其他改進還包括用硅代替鍺。現在的晶體管，大部分仍是這種面結型晶體管。

誰可成為晶體管發明人管發生過爭議。爭議的主角就是本文講到的三位諾貝爾獎得主。W.B.肖克萊1936年參加貝爾電話實驗室工作，從事半導體材料的研究，第二次世界大戰期間，他任美國海軍反潛戰運籌學組研究主任，戰后，他回到貝爾電話實驗室任晶體管物理學研究主任。J.巴丁是美國物理學家，1936年他在普林斯頓大學獲數學和物理學博士學位。戰后參加貝爾電話實驗室，開創了電流透過半導體表面特性理論。W.H.布拉頓1929年成為貝爾電話實驗室的研究物理學家﹔主要研究領域包括固體表面特性，指出物質表面的原子結構往往與物質內部的原子結構不同，揭示了半導體電流放大效應產生的原因，搭建了驗証的實驗裝置。W.B.肖克萊認為晶體管原始的構思是他的，隻有他能作為晶體管的發明人，並將他的這一想法分別打電話給J.巴丁和W.H.布拉頓，J.巴丁憤怒地挂斷了電話，而W.H.布拉頓說“喔，天哪！肖克萊，這事足以給我們每個人榮譽” *。貝爾電話實驗室本來也想以W.B.肖克萊名字申請一個專利的，但是他們發現，1929年丁.利連費爾德（Julius Lilienfeld）已有一個專利事實上在一定程度上與W.B.肖克萊的構思是一樣的，只是由於技術細節問題而那個專利來能實施*。所以，最初點接觸晶體管美國第2524035號專利是基於J.巴丁和W.H.布拉頓的貢獻，而W.B.肖克萊以其面結型晶體管而獲美國第2569347號專利，他們三人同獲1956年諾貝爾物理學獎*。J.巴丁還因發展超導電性理論與L.N.庫珀、J.R.施裡弗一起共享1972年諾貝爾物理學獎。可見，當遇到技術重大突破時往往也能見到類似旗鼓相當的大師之間認真而有趣的爭議，各執已見，互不相讓﹔其實彼此佐証，相得蓋彰。

*資料來自二零零七年美國BARNES & NOBLE出版的《INVENTING THE 20TH CENTURY》。

發明人： J.巴丁 、 W.H.布拉頓 和 W.B.肖克萊

John Bardeen（1908-1991）、walter House Brattain（1902-1987）和William Shockley（1910-1989）因對半導體方面的研究和發現晶體管效應而分享1956年的諾貝爾物理學獎。其中，巴丁出生於美國威斯康辛州，還因發展超導電性理論與另外兩名科學家共享1972年的諾貝爾物理學獎﹔布拉頓出生於中國廈門，主要研究領域是固體表面特性，並申請了許多專利﹔肖克萊出生於英國倫敦，他對電子界主要貢獻之一是將量子理論引入半導體研究。