第二章學生物理發明啟迪4
18.晶體管的發明
首先要指出，晶體管的發明不是哪一位科學家拍腦袋想出來的，而是固體物理學理論指導實踐的產物，是科學家長期探索的結果。
早在19世紀中葉，半導體的某些特性就受到科學家們的注意。法拉第觀察到硫化銀的電阻具有負的溫度係數，與金屬正好相反。史密斯用光照射在硒的表麵，發現硒的電阻變小。1874年，布勞恩第一次在金屬和硫化物的接觸處觀察到整流特性。1876年，亞當斯和戴依發現硒的表麵會產生光生電動勢。1879年，霍耳發現霍耳效應。對於金屬，載流子是帶負電的電子，這從金屬中的電流方向、所加磁場的方向以及霍耳電勢差的正負可以作出判斷。可是，也有一些材料顯示出正載流子而且其遷移率遠大於正離子，這正是某些半導體的特性。可是，所有這些特性——電阻的負溫度係數、光電導、整流、光生電動勢以及正電荷載流子，都無法做出合理的解釋。在19世紀物理學家麵前，半導體的各種特性都是一些難解之謎。然而，在沒有揭示其導電機理之前，半導體的某些應用卻已經開始了，而且應用得還相當廣泛。1883年，弗立茲製成了第一個實用的硒整流器。無線電報出現後，天然礦石被廣泛用作檢波器。1911年，梅裏特製成了矽檢波器，用於無線電檢波。1926年左右，鍺也用於製作半導體整流器件。這時，半導體整流器和光電池都已成為商品。人們迫切要求掌握這些器件的機理。然而，作為微觀機製理論基礎的量子力學，這時才剛剛誕生。
電子管問世之後，獲得了廣泛的應用。但是電子管體積大、耗電多、價格昂貴、壽命短、易破碎等缺點，促使人們設法尋找能代替它的新器件。早在1925年前後，已經有人在積極試探有沒有可能做成像電子管一樣，在電路中起放大作用和振蕩作用的固體器件。
人們設想，如果在半導體整流器內“插入”柵極，豈不就能跟三極真空管一樣，做成三極半導體管了嗎?可是，如何在隻有萬分之幾厘米的表麵層內安放柵極呢?1938年，德國的希爾胥和RW玻爾在一片溴化鉀晶體內成功地安放了一個柵極。可惜，他們的“晶體三極管”工作頻率極低，隻能對周期長達1秒以上的信號起作用。
在美國貝爾實驗室工作的布拉坦(WHBrattain)和貝克爾(JABecker)於1939年和1940年也曾多次試探實現固體三極管的可能性，都以失敗告終。成功的希望在哪裏呢?有遠見的人們指望固體物理學給予理論指導。
正好在這期間，量子力學誕生了，AH威爾遜在1931年提出了固體導電的量子力學模型，用能帶理論能夠解釋絕緣體、半導體和導體之間的導電性能的差別。接著，他在1932年，又在這一基礎上提出雜質(及缺陷)能級的概念，這是認識摻雜半導體導電機理的重大突破。1939年，蘇聯的達維多夫、英國的莫特、德國的肖特基各自獨立地提出了解釋金屬—半導體接觸整流作用的理論。達維多夫首先認識到半導體中少數載流子的作用，而肖特基和莫特提出了著名的“擴散理論”。
至此，晶體管的理論基礎已經準備就緒，關鍵在於如何把理論和實踐結合在一起。1945年1月在美國貝爾實驗室成立的固體物理研究組出色地做到了這一點。上麵提到的布拉坦就是這個組的成員之一。他是實驗專家，從1929年起就在貝爾實驗室工作。另有一位叫肖克利(BShockley)，是理論物理學家，1936年進入貝爾實驗室。
1945年夏，貝爾實驗室決定成立固體物理研究組，其宗旨就是要在固體物理理論的指導下，“尋找物理和化學方法，以控製構成固體的原子和電子的排列和行為，以產生新的有用的性質”。這個組共有7人，組長是肖克利，另外還有半導體專家皮爾遜(GLPearson)、物理化學專家吉布尼(RBGibney)、電子線路專家摩爾(HRMoore)。最關鍵的一位是巴丁(JBardeen)，他也是理論物理學家，1945年剛來到貝爾實驗室，是他提出的半導體表麵態和表麵能級的概念，把半導體理論又提高了一步，使半導體器件的試製工作得以走上正確的方向。
貝爾實驗室的另外幾位專家：歐爾和蒂爾等致力於矽和鍺的提純並研究成功生長大單晶鍺的工藝，使固體物理研究組有可能利用新的半導體材料進行實驗。肖克利根據莫特-肖特基的整流理論，並且在自己的實驗結果之基礎上，做出了重要的預言。他認為，假如半導體片的厚度與表麵空間電荷層厚度相差不多，就有可能用垂直於表麵的電場來調製薄膜的電阻率，從而使平行於表麵的電流也受到調製。這就是所謂的“場效應”，是以後的場效應管的理論基礎。
可是，當人們按照肖克利的理論設想進行實驗時，卻得不到明顯的效果。後來才認識到，除了材料的備製還有缺陷之外，肖克利的場效應理論也還不夠成熟。表麵態的引入，使固體物理研究組的工作登上了一個新的台階。他們測量了一係列雜質濃度不同的p型和n型矽的表麵接觸電勢，發現經過不同表麵處理或在不同的氣氛中，接觸電勢也不同，還發現當光照射矽的表麵時，其接觸電勢會發生變化。接著，他們準備進一步測量鍺、矽的接觸電勢跟溫度的關係。就在為了避免水汽凝結在半導體表麵造成的影響，他們把樣品和參考電極浸在液體(例如可導電的水)中時意外的情況出現了。他們發現，光生電動勢大大增加，改變電壓的大小和極性，光生電動勢也隨之改變大小和符號。經過討論，他們認識到，這正是肖克利預言的“場效應”。
巴丁提出了一個新方案。他們用薄薄的一層石蠟封住金屬針尖，再把針尖壓進已經處理成n型和p型矽的表麵，在針尖周圍加一滴水，水與矽表麵接觸。帶有蠟層的針同水是絕緣的。正如他們所預期的那樣，加在水和矽之間的電壓，會改變從矽流向針尖的電流。這一實驗使他們第一次實現了功率放大。後來，他們改用n型鍺做實驗，效果更好。然而，這樣的裝置沒有實用價值，因為水滴會很快蒸發掉。由於電解液的動作太慢，這種裝置隻能在8赫以下的頻率才能有效地工作。
他們發現，在電解液下麵的鍺表麵會形成氧化膜，如果在氧化膜上蒸鍍一個金點作為電極，有可能達到同樣的目的，然而，這一方案實現起來也有困難。
最後，他們決定在鍺表麵安置兩個靠得非常近的觸點，近到大約5×10－3厘米的樣子，而最細的導線直徑都有10×10－3厘米。實驗能手布拉坦想出一條妙計。他剪了一片三角形塑料片，並在其狹窄而平坦的側麵上牢固地粘上金箔，然後用刀片從三角形塑料片的頂端把金箔割成兩半。再用彈簧加壓的辦法，把塑料片和金箔一起壓在鍺片上。於是，他做成了世界上第一隻能用於音頻的固體放大器。他們命名為晶體管(transistor)。這一天是1947年12月23日。接觸型晶體管誕生了。
接著，肖克利又想出了一個方案。他把n型半導體夾在兩層p型半導體之間。1950年4月他們根據這一方案做成了結型晶體管。
親愛的朋友們，以上講了晶體管的發明經過，從這段史實中，你能否指出，是誰發明了晶體管?誰又是最主要的發明者?是巴丁?是肖克利?還是布拉坦?應該說，他們都是。功勞應歸於他們這個集體，他們所在的固體物理學小組。晶體管是他們的集體創造。我們不必糾纏於爭論誰的功勞大，但至少可以由此得到一條信念：科學是人類集體的事業，是人們以各種方式，包括有形的和無形的，進行協作的產物。
19.原子鍾的發明
大家知道，在計量單位製中，除了長度和質量外，還有一個基本物理量，那就是時間。
微波激射器發明後，人們已經認識到可以利用其極為精確的計時功能製造原子鍾。原子鍾的發明是在新長度基準之外又一件量子計量技術的成果。它使計時技術發生了革命性的變化。要知道，時間的計量對人類的生活有著不可估量的意義。
日出而作，日入而息，銅壺滴漏，日晷影移，這是原始的時間計量。古人就據此建立了各種可靠的計時標準。
在人類觀察到的自然現象中，以天空中發生的現象為最明顯，也最有規律，所以很自然地自古以來人們就以地球自轉周期作為時間的量度基準，這就是所謂的太陽日。最初秒的定義就是1秒＝1／86400平均太陽日。但是由於地球自轉並不均勻也不穩定，1960年國際計量大會確認，把時間基準改為以地球圍繞太陽公轉為依據，即：把秒定義在1900年地球繞太陽沿軌道運行一周所需時間的1／315569259747。這一數據之所以有如此之高的精確度，是因為這個結果是通過為期數年的一係列天文觀測獲得的。