《芯片简史》：“肖克利真是愚蠢之至”，蹒跚学步的晶体管

1951年暮春时节，新泽西州默里山周围郁郁葱葱，春意盎然。阳光洒进了贝尔实验室顶层一间宽大而考究的办公室里，凯利正坐在办公桌前阅读、处理信件。三年前，他升任实验室副总裁，搬进了这个铺着橡木地板的办公室。

晶体管的成功发明，使凯利12年前的愿望得以实现，这个小小晶体的火种正从贝尔实验室向外扩散，它将替换掉电信交换机里的继电器，以及数百万的电视机、收音机和电子计算机里的真空管。凯利觉得正逢其时，可以大干一场。

每天，凯利要处理大量的行政事务，他的办公桌上常常堆满了刚毕业的名校博士的简历，甚至还有国外的优秀人才的自荐信。

5月24日这天，凯利收到了一封信，上面没有邮戳，来自实验室内部。凯利打开信封，抽出三页纸，逐字逐句地读着。这封信措辞严谨，一如写信人平时的风格，不过凯利还是从这些字斟句酌的措辞中读出了一种难以压抑的苦涩。

“我的困难来自晶体管的发明。在此之前，这里一直有着浓厚的基础研究氛围。晶体管的发明导致了半导体研究计划的重新安排……要不是对这里的境遇感到不满，我是不会离开的……”

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1948年秋天，在贝尔实验室发布了点接触晶体管之后，贝尔实验室的科学家肖克利、巴丁和布拉顿等人开始到美国各大学、研究机构以及科学俱乐部展开巡回演讲。

“晶体管的概念就像原子弹一样击中了我。我只有惊讶！这意味着我们不用真空管，就能实现信号放大。晶体管的概念可以把你从思维定式中驱赶出来，迫使你用不同的方式重新思考。”这是罗伯特·诺伊斯（RobertNoyce）第一次听到晶体管时发出的感慨，那时他在美国格林内尔学院读本科。2之后他考到了麻省理工学院读硕士研究生，得以听到巴丁来校做的晶体管主题讲座。

肖克利则在华盛顿的宇宙俱乐部做了演讲，结束时他从口袋里掏出一把晶体管，像撒花生一样抛向台下的观众，引起一阵骚动。观众席中一位戴着黑框眼镜的年轻小伙戈登·摩尔（Gordon Moore）对这个讲座最后的“保留节目”留下了深刻印象。

肖克利、巴丁等人可能还没有意识到，他们的演讲正在点燃年轻人头脑中的微小火种，这将在未来引发一场新的革命。

第二次世界大战结束后，美苏双方布置了大量导弹，时刻准备向对方发射，这需要系统能迅速反应、稳定运行。而真空管却反应缓慢，无法稳定工作。

同期，广播和电视发展迅猛。与此形成鲜明对比的是，5000多家电影院的座椅开始蒙灰。美国的收音机销量最高达到每月16.5万台，1948年电视机平均每个月能卖出20多万台。但这些收音机和电视机里用的都是真空管，经常发生故障。

在这种情况下，贝尔实验室开始着手大规模、经济地制造晶体管，以便能尽快替代当时广泛使用的真空管。1949—1958年，贝尔实验室的半导体研究得到了美国军方的支持，有1/4的经费来自军方。

1948年晶体管发布会前，贝尔实验室给真空三极管的发明人德福雷斯特发去了一封邀请函。在回信中，德福雷斯特俏皮地说：“我是不可能带着我那个42岁的‘婴儿’去参加它的遗体告别仪式的。”转而他又写道，“这场真空管的告别仪式将是漫长的，可能会持续几十年之久。”考虑到当时一个晶体管的价格要几十美元，而真空管只需一美元，这意味着德福雷斯特的警告不无道理，这的确是个漫长的更迭过程。直到1953年，美国的晶体管年产量才60万支，而1955年真空管的产量达到了5亿支。

那时，贝尔实验室制作出的晶体管仍很不稳定，关门发出的“砰砰”声都会让桌上的晶体管失灵。固体物理研究小组发明晶体管的任务已经完成，下一步是解决晶体管的可靠性、规模性生产的问题。

1948年下半年，凯利将固体物理研究小组改组为半导体研究小组，并任命了一位行事果断、富有制造经验的工程师杰克·莫顿（Jack Morton）为组长。一些从事晶体管开发工作的工程师也被他招至麾下。

12月的一天，工程师戈登·蒂尔（Gordon Teal）来找莫顿，他需要一笔资金用于制作纯净锗晶体的拉晶机，以便使锗的原材料中生长出均匀一致的大块单晶体。

蒂尔是物理化学博士，他对散发着光泽的锗晶体很感兴趣。他认为大块单晶对于晶体管性能至关重要。“猫须”整流器之所以需要不停地尝试，就是因为方铅矿石表面只有极个别区域才有很小块单晶。如果使其变成一整块单晶体，晶体管的性能将大大提高。

三个月前，蒂尔在走廊里碰到了机械工程师J.里特尔（J.Little），他们凑巧都准备去参加一个研讨会，两人便交谈了起来。里特尔说他需要一根细长的锗晶条，用于制作一种拉丝状的晶体管。蒂尔说没问题，他可以用拉晶机拉出这样一条很细的锗晶。

两人上了公交车后继续讨论，蒂尔介绍了这种拉晶法（即“柴可拉斯基法”），它是1917年波兰的一位科学家J.柴可拉斯基（J.Czochralski）提出来的，这有点像中学化学实验中将漂亮的蓝色硫酸铜晶体从溶液中析出。将一颗种子晶体放置在高温熔化的液体中，并将其缓慢地拉出，在此过程中，种子的尾部会逐渐积累生长更多的晶体，这样就能拉出一条非常完美的单晶。就这样，在下车时，两人已经讨论出一种新的拉晶机模型。拉出的晶体冷却后，将其切割成一片片的晶圆，就能在上面制作晶体管了（见图3-1）。

图3-1　晶圆制作原理

注：用柴可拉斯基拉晶法制作晶圆（a）；成形的晶圆（b）。

蒂尔先找到肖克利，请求他给予资金支持，但被拒绝了。肖克利觉得只要随便从锗锭上切割下一块就能用，无须专门拉出高纯度的晶体。蒂尔对此抱怨道：“肖克利在这个问题上真是愚蠢之至！”

但莫顿知道半导体晶体纯度对于制造晶体管的重要性，于是批准了蒂尔的请求。蒂尔和里特尔安装了一台7英尺^[1]高、2英尺宽的拉晶机。白天他们要完成常规工作，到了夜里才有时间搞拉晶机。他们凌晨两三点起床工作，给拉晶机连接好冷却和加热设备后，随即开始拉伸晶体。

1949年3月，蒂尔成功地拉出了第一根锗单晶棒，它的少数载流子寿命比以前直接从锗锭上切割下来的长10倍以上。肖克利承认自己之前判断失误，他给蒂尔分配了实验室，成立了生长单晶体的研究小组。蒂尔不用再熬夜了。

拉晶法奠定了今天半导体制造的基础。拉出的圆柱形晶体越粗，切割下来的晶圆片直径就越大，容纳的芯片和晶体管就越多，分摊到每个晶体管上的成本也就越低。晶圆直径从1960年的1英寸^[2]增加到1976年的4英寸、1992年的8英寸（见图3-2），最后到2002年的12英寸—这是目前最大的晶圆片，相当于一张大号比萨，上面能容纳下640颗长宽均为1厘米的芯片，而在2英寸的晶圆上只能装下9颗芯片。

图3-2　各种规格的晶圆片

注：图中晶圆片尺寸（从左至右）依次为2英寸、4英寸、6英寸和8英寸，晶圆片上每一个小方块对应一颗芯片。

就在蒂尔用拉晶法拉出锗单晶时，一位名叫威廉·普凡的技术人员在1950年到1951年间想到了一种分区提炼法，进一步提高了锗晶的纯度。普凡加入贝尔实验室时只是一名初级技师，没有大学学位。一天午休时，他将双脚架在桌上闭目打盹，就在半睡半醒之间，突然想到了分区提纯的方法。惊喜之余，他想马上站起来，椅子却重重地向后摔去，发出了巨大的响声，吓了他一跳。

普凡的方法可以使锗晶体的纯度达到99.99999999%，即每100亿个锗原子里最多只有一个杂质原子。贝尔实验室内部的说法是：“它相当于在装满38节火车厢的食用糖里加入一勺盐。”

1950年4月，摩根·斯帕克斯（MorganSparks）和蒂尔用拉晶法制作出了肖克利期待已久的NPN结型锗晶体管。一边缓慢拉晶，一边添加杂质元素，使得锗晶的不同层转变为N型或P型，最终形成NPN晶体管。1951年1月，他们做出的晶体管频率超过了10MHz，达到了调幅（简称AM）广播的频率。

整个晶体管的三部分就像肖克利当初设想的“三明治”结构一样连成一体，大小如一颗豌豆，可靠性远超巴丁和布拉顿发明的点接触晶体管，噪声是后者的千分之一，功耗只有一百万分之一瓦。

1951年7月4日，时隔三年，贝尔实验室又一次召开新闻发布会，发布了结型晶体管，这一次发布会的主角是肖克利。结型晶体管的各项指标均超过了点接触晶体管。实际上，点接触晶体管由于成本和稳定性等原因并没有投入大规模生产。毫无疑问，未来属于肖克利发明的结型晶体管。

***

就在肖克利成为大赢家的时候，他的一位同事却陷入了巨大的痛苦之中。在发布会前的一个多月，贝尔实验室副总裁凯利收到了巴丁的辞职信。

巴丁在信中写道：“晶体管的发明导致了半导体研究计划的重新安排，而在现在这个研究方向上，我发挥不了什么作用。”

原来，发明晶体管后，研究小组的工作重点从基础研究转向了应用研究，而巴丁仍钟爱基础理论探索，不愿去做具体开发。

肖克利对情况非常了解，却仍然安排巴丁去做他不喜欢的应用研究，巴丁很不情愿，数次抗争，但终究没能改变肖克利的决定，“这是他的既定方针……我对此事是不满的”。

“肖克利利用小组成员的工作来探索他自己的想法。由于我的研究也处在理论前沿，我不可能投身到实验当中，除非我在同上司直接构成竞争的条件下从事研究工作……”

巴丁数次抗争，试图改变肖克利的想法，但都遭到了拒绝。布拉顿一直支持他，有一次他们一起去找主管费斯克并告诉他，以后他们不准备向肖克利报告了。巴丁和布拉顿搬到二楼，远离了肖克利的团队。

这时，巴丁注意到了超导研究，并做了初步尝试，但是他跟费斯克讨论后发现，贝尔实验室缺少做这种基础研究所需的环境和条件，巴丁感到孤立无援。

“在做出离开的决定之前，我再次探寻了同肖克利一起合作从事半导体项目研究的可能性。但他的态度没有改变，他认为自己能够提供所需要的所有想法，而他要求自己手下的人按照他的思路工作……”

在信的末尾，巴丁得出了结论：“我决定辞职。”

凯利想出了各种可能的方案来挽留巴丁：大幅提高薪水，允许他成立自己的研究小组、做任何他想做的研究……无论如何，他想把这位顶尖的物理学家留在贝尔实验室。

但巴丁去意已决，他已经联系好了伊利诺伊大学，决意不为任何改变而动。实验室上下都为失去一位顶尖的物理学家而感到惋惜，也纷纷抱怨肖克利对组员的横加干涉^[3]。

就这样，曾经共同发明了晶体管的“三剑客”解体了。但是，他们点燃的星星之火已经开始向四周蔓延扩散，并且势不可当地燃烧起来。

——摘自《芯片简史》

芯片行业“人类群星闪耀时”

且看芯片如何诞生并改变世界

资深芯片研究专家、科普作家 汪波 启发未来之作

汪波 著

2023年4月

湛庐文化/浙江教育出版社

1. 英制长度单位，1英尺约等于30.4厘米。——编者注 ↑
2. 英制长度单位，1英寸约等于2.54厘米。——编者注 ↑
3. 顺便说一句，巴丁在伊利诺伊大学的超导研究证明了他仍有东山再起的能力。1972年，巴丁因为这项研究再一次获得诺贝尔物理学奖，成为迄今唯一两次获得诺贝尔物理学奖的人。除了物理，巴丁还有一个爱好是高尔夫球，曾创造了个人生涯的最佳成绩：一杆进洞。后来有人问他，“一杆进洞”和诺贝尔物理学奖相比，哪个更重要？巴丁若无其事地说：“也许，两个诺贝尔物理学奖加起来才比‘一杆进洞’重要。 ↑