【影响世界的专利】晶体管

晶体管

晶体管专利图

晶体管是广泛用于放大、控制和产生电信号的固体器件。晶体管彻底改变了电子线路的结构，因其尺寸小、成本低、功耗小、可靠性高，使得制造高速电子计算机之类的设备所需的复杂电路成为可能，又催生后来的集成电路。晶体管的问世，开创了微电子学时代，也是现代历史中最伟大的发明之一。其发明人，美国贝尔电话实验室的J.巴丁、W.H.布拉顿和W.B.肖克莱由此共获1956年诺贝尔物理学奖。

在第二次世界大战前，人们通过研究已经知道半导体材料是传导弱电流的材料，并有人已在通信系统中使用，如在矿石收音机和电话系统中的应用。美国贝尔电话实验室也已开始研究以半导体为重点的固体物理。他们获悉掺有某种极微量杂质的锗晶体的性能比方铅矿晶体检波性能好，可以与电子管这方面的性能相比。当时研究人员W.B.肖克莱预言“从外界导入电荷能移动半导体中的电子，以使它起放大器作用” *。战争中断了该研究。但是，战争期间，其他部门的相关研究仍在进行，如Purdue大学研究认为，锗是很有用的材料；其他实验室也进行硅和锗材料的制造和理论方面的研究，这些无疑对以后的晶体管发明是非常有利的。第二次世界大战一结束，贝尔电话实验室成立了以W.B.肖克莱为首的晶体管物理学研究室，成员包括J.巴丁和W.H.布拉顿等，重点研究硅、锗等半导体材料，探索这些材料制作放大器等电路器件的可能性。

美国发明人J.巴丁和W.H.布拉顿于1948年6月17日提出了专利申请，并在1950年10月3日获得美国第2524035号专利，发明名称为《利用半导体材料的三极电路器件》。该发明是有关诸如为放大作用、信号发生等目的而调节电变量的新方法和手段。根据发明说明书记载，该发明的主要目的，一是使用小型、简单和抗干扰强的新型器件放大或调节电信号或电变量；二是提供用于放大器或类似装置的电路器件，它不需要为其发射而加热的热电子发射阴极，而是一打开就立即发射的；三是提供这样的电路器件不需要真空或充气密封。也就是要克服当时老的收音机和许多其他电子设备中作为电路器件是真空管而体积大、笨重并要加热才能工作，需要热源的缺陷，从而提供替代真空管的小型、无需加热、小电子产品所需的新型电路器件。该发明的技术解决方案是这样的：在一个构件中使用半导体片，在其上设置三个电极，其中一个为集电极，它与半导体片的基体接触形成整流器；另一个电极为发射极，它也应与半导体片的基体接触形成整流器；第三个电极为基极，它应与半导体的基体接触形成一个低电阻。当用作放大器时，通常就半导体片的基体而言在便于电流流过的方向对发射极加正向偏置；相反，对集电极要反向偏置。由于发射是正向偏压，所以发射电流对基极和发射极之间的电位很小变化是很敏感的，射极电流小变化会使整个集电极电流发生大的变化，又由于集电极高电阻整流接触，与其内部高电阻相匹配集电极电路可包括一个高阻抗负载，因此，使得输入信号电压放大，电流放大和功率放大。下面结合附图对该专利进一步说明：图1是一个框图，部分地透视，展示该发明一个推荐实施例；图1A是图1的部分横截面放大图，图3是与图1等同的真空管线路图。结合图1和图1A，诸如锗之类的半导体1的下部的表面铺有金属膜2用作基极，该片1是N型传导性半导体；在上表面的薄层3是P型传导性半导体；将该P型材料层从该半导体片的基体的N型材料中分隔的分界面4是作为类似高电阻整流阻挡层；第一极5代表发射极，与片的上表面接触，即与P型层3接触，最好是中心附近的某一点，这种接触对片1的基体来说应是整流型的，它可以是直径为0.5至5密耳（1密耳等于0.001英吋）的弹性材料导线，该接触为点接触，用1至10克的力将该经过研磨的导线端点引入与片1的上表面接触，在其上发生点的金属冷变形，使其与片表面任何微小的不规则相适应，为此，该点的导线相对于片1的材料是可塑的，适合的材料，如钨、铜和磷青铜等；第二极6代表集电极，它与发射极5非常靠近并与片的上表面3相接触，沿表面测量集电极和发射极之间距离最好为1至10密耳，这电极6与半导体片整流接触，是尖头的弹性导线，如前述方式形成与发射极5相关联，另一方面，它可以由很少量的诸如金的金属构成接触端，在最后干燥工序中通过升华使金属逸散在片的上表面上；第三联接称为基极，通过焊接或其他方式，将金属薄膜安置在片1的下表面上。该专利包含40个权利要求，其中17个是独立权利要求。独立权利要求多，主要原因是它是一个开创性的发明，诸如电极引线、设置方式、参杂型材料不同结构上不同的电路器件以及诸如作为放大器、电阻转换器、信号调制器等不同专门用途都作为独立权利要求。

该专利主要揭示了一种点接触型的锗晶体管，导致了晶体管的问世，但是这种晶体管噪声较大，放大倍数有限，也不能控制较高功率，阻碍了它的使用范围。第二年，W.B.肖克莱针对这些问题，又研究成功了面结型晶体管，为此，他获得了美国第2569347号专利。其他改进还包括用硅代替锗。现在的晶体管，大部分仍是这种面结型晶体管。

谁可成为晶体管发明人管发生过争议。争议的主角就是本文讲到的三位诺贝尔奖得主。W.B.肖克莱1936年参加贝尔电话实验室工作，从事半导体材料的研究，第二次世界大战期间，他任美国海军反潜战运筹学组研究主任，战后，他回到贝尔电话实验室任晶体管物理学研究主任。J.巴丁是美国物理学家，1936年他在普林斯顿大学获数学和物理学博士学位。战后参加贝尔电话实验室，开创了电流透过半导体表面特性理论。W.H.布拉顿1929年成为贝尔电话实验室的研究物理学家；主要研究领域包括固体表面特性，指出物质表面的原子结构往往与物质内部的原子结构不同，揭示了半导体电流放大效应产生的原因，搭建了验证的实验装置。W.B.肖克莱认为晶体管原始的构思是他的，只有他能作为晶体管的发明人，并将他的这一想法分别打电话给J.巴丁和W.H.布拉顿，J.巴丁愤怒地挂断了电话，而W.H.布拉顿说“喔，天哪！肖克莱，这事足以给我们每个人荣誉” *。贝尔电话实验室本来也想以W.B.肖克莱名字申请一个专利的，但是他们发现，1929年丁.利连费尔德（Julius Lilienfeld）已有一个专利事实上在一定程度上与W.B.肖克莱的构思是一样的，只是由于技术细节问题而那个专利来能实施*。所以，最初点接触晶体管美国第2524035号专利是基于J.巴丁和W.H.布拉顿的贡献，而W.B.肖克莱以其面结型晶体管而获美国第2569347号专利，他们三人同获1956年诺贝尔物理学奖*。J.巴丁还因发展超导电性理论与L.N.库珀、J.R.施里弗一起共享1972年诺贝尔物理学奖。可见，当遇到技术重大突破时往往也能见到类似旗鼓相当的大师之间认真而有趣的争议，各执已见，互不相让；其实彼此佐证，相得盖彰。

*资料来自二零零七年美国BARNES & NOBLE出版的《INVENTING THE 20TH CENTURY》。

发明人： J.巴丁 、 W.H.布拉顿 和 W.B.肖克莱

John Bardeen（1908-1991）、walter House Brattain（1902-1987）和William Shockley（1910-1989）因对半导体方面的研究和发现晶体管效应而分享1956年的诺贝尔物理学奖。其中，巴丁出生于美国威斯康辛州，还因发展超导电性理论与另外两名科学家共享1972年的诺贝尔物理学奖；布拉顿出生于中国厦门，主要研究领域是固体表面特性，并申请了许多专利；肖克莱出生于英国伦敦，他对电子界主要贡献之一是将量子理论引入半导体研究。