貝爾實驗室的“三劍客”——電晶體誕生

1948年6月30日，貝爾實驗室的Ralph Brown向媒體宣佈了在1947年12月23日一項最偉大的絕對機密的發明——“固體的電晶體”，它可以取代真空管放大電流。他宣佈這個好訊息的時候，完全沒有想到會帶來一場多麼巨大的技術革命！其實，當時沒有人可以預測這個小巧的電晶體會在商業、教育、工業、國防、文化等方面帶來迅猛的翻天覆地的變革，成為構成數位電子產品和其他各種衍生物的基本元件。沒有人知道電晶體會將我們帶到月球和宇宙，還會將世界的距離變小。

今天，我們可以隨手開啟收音機聽到最流行的音樂，看電視裡栩栩如生的節目，用手機通話，或上網瀏覽，這一切都要歸功於下面我要說的三位科學家：威廉·肖克利(William Shockley)、約翰·巴丁(John Bardeen)和沃爾特·布拉頓(Walter Brattain)。可惜由於自我意識的碰撞，和苦澀的競爭，使三劍客那麼完美的組合發明了電晶體之後終生不再合作。他們3人在那時是科技精英中的精英，布拉頓是什麼都會做的實驗物理學家，巴丁是20世紀最偉大的理論物理學家之一。年紀最小的肖克利是三劍客的組長，他也是一位優秀的理論物理學家，他早就看到了電晶體的前景，而做研究的動力使他成為英雄，也促成他日後經商的失敗。

圖1. 巴丁、肖克利和布拉頓1948年攝於貝爾實驗室

故事要從1945年開始，那一年屬於美國電報電話公司AT&T的科研單位貝爾實驗室Bell Lab剛從曼哈頓搬遷到世界一流的位於新澤西州的的新實驗室。

AT&T公司的來源可以追溯到1876年貝爾發明電話這一頗具影響力事件。它壟斷的是長途電話通訊業務。1907年亞歷山大·貝爾發明的電話專利到期之後，成千上萬小電話公司冒出來和他們競爭，他們想推出一個業務提供東岸到西岸的長途電話通訊。可是在1912年長途只能從紐約通到丹佛，他們必須開發一種有放大訊號功能的器件。

他們請來號稱電子學之父的李·德弗雷斯特，用他發明的三極電子真空管放大器，就是在二極真空燈泡中加上一個柵極，由它來放大通向陰極的電訊號。1915年這項研發成功了，AT& T的長途電話可以從紐約打到舊金山。1940年他們的電話網像蜘蛛網一樣佈滿全美國。但是真空三極體的毛病是製作困難、壽命短、體積大耗能高、易損壞，缺點一大堆。

貝爾實驗室的董事會主席和總裁默文·凱利（Mervin Kelly）認為，如果電話僅僅依賴真空管和繼電器是沒有發展前途的，他敏睿地覺得答案應該是去發掘新型半導體材料鍺和矽，它們的導電效能會隨外加條件而變，是不是可能使他們具有比真空管更好的放大和開關的功能呢？可惜他的構想受阻於第二次世界大戰。幸好當時為了發展軍事雷達，採用半導體材料鍺和矽的晶體整流器成功地將雷達訊號顯示在螢幕上，這兩種材料奠定了以後發明電晶體的基礎。

戰後人們追求美好的生活，電話在全國普及，照如此發展勢頭，恐怕光是接線員的工作就需要僱全國一半的婦女，默文·凱利覺得是時候了，應該開發半導體自動開關器件。他立馬成立了“半導體小組”，肖克利是組長，成員包括巴丁和布拉頓。肖克利和巴丁都是理論物理學家，而布拉頓則是實驗物理學家。

1945年春，肖克利有一個奇特的想法，用場效應原理在金屬——半導體結構上做實驗，希望找到放大的效果，多次嘗試失敗。他請巴丁檢查自己的理論和核實數學計算，結果都沒啥毛病。後來巴丁和布拉頓二人獨立進行研究，巴丁認為可能是表面的電子層遮蔽了電場，無法穿透到矽晶體內部。布拉頓乾脆將樣品投入水中，意外測試到水中和了表面電子的遮蔽層，電訊號居然得到明顯的放大！但是水使得樣品對訊號的反應時間太慢，必須進一步改良。

巴丁和布拉頓在1947 年12 月把間距為50 微米的兩個金電極壓在鍺半導體上，微小的電訊號由一個金電極(“發射極”)進入鍺半導體(“基極”)、被顯著放大，並透過另一個金電極(“集電極”)輸出，這個器件在1kHz的增益為4.5。這不是場效應，這是金屬點接觸到鍺半導體上，將電子直接發射到晶體中。關鍵是兩個金電極必需距離很小，小得像一根頭髮絲那樣。布拉頓靈機一動，他將一片薄金箔包在三角形的塑膠上，在頂角處用刀片劃一道薄間隙，讓它觸碰鍺片，加上電源，他們發現1.3伏直流電壓被放大了15倍。放大器終於做成功了，稱之為點接觸式電晶體。

圖2. 巴丁和布拉頓發明的第一個點接觸式電晶體模型和示意圖

這是石破天驚的成就。1947年12月23日他們在實驗室做了展示，在一端連線麥克風，另一端接耳機，布拉頓對麥克風講話，人們聽到了被放大了18倍的聲音。（請參閱《世界上第一個電晶體是如何工作的？》一文）。這一天是晶體三極體的誕生日，人類第一次不用真空管就可以將聲音放大，實乃奇蹟。

那一天肖克利不在場，巴丁和布拉頓打電話給他報告這個好訊息，他卻被深深刺痛了，由他領導的小組做出了他構想的電晶體，基於他的場效應理論，居然沒他在場。後來貝爾實驗室為這項劃時代的發明申請專利時，因為點接觸式電晶體誕生時肖克利不在場，所以專利申請上沒有他的名字，連二人發表的學術文章都沒有他的署名。情何以堪，從此這三人的關係就變了樣。

請讀一段肖克利的回憶錄：

這下子可把肖克利給惹毛了，他每天不停地抱怨和“念念碎”。

“電晶體的誕生完全是基於格老子提出的場效應理論，整個研究過程我也直接參與其中，現在居然說和我沒關係”。“格老子後場斷球連過十人直接殺入禁區，怒射中門柱彈出，碰到巴丁與布拉頓的腳後入網得分，而現在你們卻說這不關我事？”“更何況我是這個小組的領導人，沒我的英明領導這兩個小子會有今天的成就嗎？這年頭，運動員得個冠軍還得先感謝XX感謝XX，寫篇論文也得先署XX的名字。格老子我累得像狗一般的辛勤播種，最後尼瑪的告訴我這和我沒關係的，這算啥玩意兒。”

還好，抱怨歸抱怨，肖克利畢竟是天才。“點接觸型電晶體發明的數週內，肖克萊被一種複雜的情感折磨著。他認識到巴丁和布拉頓的發明對貝爾實驗室來說是‘偉大的聖誕禮物’，但他感到懊惱的是在這關鍵的具有突破性的發明中自己卻沒有扮演一個重要的角色。他在約25年後的一次描述中說：‘團隊的成功給我帶來了喜悅，但這種喜悅隨即卻被我不是其中的發明人而沖淡’，我感覺到非常沮喪，我個人在這個領域已經工作八年多了，但卻沒有做出屬於我自己的顯著發明和貢獻。”

圖3. 肖克利發明的結型電晶體示意圖

1947年的除夕夜，肖克利去芝加哥參加物理學術會議，他一個人在旅館房間琢磨著, 點接觸式電晶體效率低，結構極不穩定，根本無法大量生產，為何不模仿三明治的結構，用三層半導體拼在一起，一邊輸入，另一邊輸出，當中一層作為柵極，就像真空三極體那樣，由柵極訊號控制放大了的輸出電流？

經過38天時間的獨自秘密鑽研，肖克利終於發明了三明治結構的雙極性結型電晶體，那是1948年1月23日。一個月後，肖克利也向美國專利局遞交了結型電晶體的專利。1950年，他們製成第一個成品，這才是可以量產的電晶體。11月，他發表了經典著作《半導體中的電子和空穴》，從理論上解釋了結型電晶體的工作原理，肖克利向世界證明他是一位有極高科學素養的天才人物。事實證明，肖克利的結型電晶體和以後的場效應電晶體才是可以實用和大量生產的，成為資訊時代文明的基礎。他才是真正的電晶體之父。由於專利的糾紛，巴丁和布拉頓2人和肖克利的關係徹底破裂。

1948年6月30日 ，貝爾實驗室驕傲地宣佈這項重大發明時，《紐約時報》將此訊息登在不起眼的第47頁上。起初人們覺得電晶體只不過是像礦石收音那樣的東西，太貴了，沒啥了不起。只有軍事部門才花得起錢用它開發軍工產品。肖克利才是最有遠見的人，他了解這個發明的巨大發展空間，他第一個指出電晶體會是應用到電腦上的基本元件。還好當時有兩位聰明的日本人Ebuka 和 Marita 看到電晶體的遠大前景，他們覺得可以用它來製造電晶體收音機，美國人認為這個東西太貴，不願意生產，於是就授權Ebuka 和 Marita 製造電晶體收音機，他們將公司取名為索尼（Sony），這一下給日本人佔了大便宜，從此以後電晶體收音機如雨後春筍般稱霸天下。

1951年，巴丁離開貝爾實驗室加入伊利諾伊大學。1972年，巴丁因超導理論獲得第二個物理諾獎。1955年，肖克利離開貝爾實驗室到加州帕洛阿爾託，在好友貝克曼的幫助下1956年創辦了肖克利半導體實驗室。他的僱員有羅伯特諾伊斯（Robert Noyce），戈登摩爾（Gordon Moore）等8位博士精英，可惜由於他的低劣的管理能力和傲慢性格將一手好牌打得稀爛，如果不是他的個性，他的成就可能比比爾·蓋茨還要大。後來這8位天才集體叛逃，離開他而建立了鼎鼎大名的仙童公司（Fairchild）和以後的英特爾公司（Intel）。

如今天下聞名的“矽谷神話”還是因肖克利之火才散播開來。1956年巴丁、布拉頓和肖克利3人因發明電晶體而獲得諾貝爾物理獎。後來仙童公司的羅伯特·諾伊斯和德州儀器的傑克·基爾比（Jack Kilby）分別開發出來的積體電路（Integrated Circuit）：在一片矽片上構建複雜的元件和電路，造就了半導體事業的未來。基爾比也榮獲2000年諾獎。在公元2000年，英特爾公司生產的矽片薄晶圓的每片晶片含有400萬電晶體，每張薄晶圓含有10億個電晶體。2012年一個高階的微處理器使用的電晶體數量達14億個。

1967年，布拉頓從貝爾實驗室退休後到華盛頓州惠特曼學院任物理教授。（題外話：布拉頓1902年生於福建廈門，1928年在美國明尼蘇達大學獲得博士學位。）

圖4. 各種電晶體

圖5. 積體電路晶片

圖6. 晶圓（Wafer）圖片

圖7. 基爾比發明的第一個積體電路