沃爾特·布拉頓（美國(guó)物理學(xué)家，發(fā)明點(diǎn)接觸晶體管）

沃爾特·布拉頓，美國(guó)人，著名物理學(xué)家，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士。父母早年來(lái)到中國(guó)，于1902年2月10日在廈門生下了他。?1928年，沃爾特·布拉頓獲明尼蘇達(dá)大學(xué)博士學(xué)位。1929年在貝爾實(shí)驗(yàn)室研究物理學(xué)。1962-1967年任惠特曼學(xué)院客座講師，1967年任教授。布拉頓長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體物理學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體自由表面上的光電效應(yīng)。他與J.巴丁和W.B.肖克萊發(fā)明點(diǎn)接觸晶體管，因此共同獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此外，他還曾研究壓電現(xiàn)象、頻率標(biāo)準(zhǔn)、磁強(qiáng)計(jì)和紅外偵察等。

簡(jiǎn)介

沃爾特·布拉頓，美國(guó)物理學(xué)家。1902年2月10日生于中國(guó)廈門市（父母都是美國(guó)人，后來(lái)到中國(guó)并生下他）。1924年獲惠特曼學(xué)院理學(xué)士學(xué)位。1926年獲俄勒岡大學(xué)碩士學(xué)位，1928年獲明尼蘇達(dá)大學(xué)博士學(xué)位。1929年在貝爾實(shí)驗(yàn)室研究物理學(xué)。1955年獲理學(xué)博士學(xué)位。1962～1967年任惠特曼學(xué)院客座講師，1967年任教授。布喇頓長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體物理學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體自由表面上的光電效應(yīng)。

1947年12月23日，布喇頓與J.巴丁和W.B.肖克萊發(fā)明點(diǎn)接觸晶體管，因此共同獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此外，他還曾研究壓電現(xiàn)象、頻率標(biāo)準(zhǔn)、磁強(qiáng)計(jì)和紅外偵察等。美國(guó)科學(xué)院院士。曾獲巴倫坦獎(jiǎng)?wù)?、約翰·斯可特獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

布拉坦的少年時(shí)期是在牧場(chǎng)上度過(guò)的。他1924年畢業(yè)于惠特曼學(xué)院（在華盛頓州），1929年在明尼蘇達(dá)大學(xué)取得博士學(xué)位。同年，他進(jìn)入貝爾電話實(shí)驗(yàn)室，成為一名物理學(xué)研究人員。第二次世界大戰(zhàn)期間，他在那里從事潛艇磁探測(cè)的工作。他同肖克利剛和巴丁共同獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，共享發(fā)明晶體管的榮譽(yù)。1967年，他接受惠特曼學(xué)院的聘請(qǐng)，擔(dān)任了自己母校的教授。

晶體管發(fā)明人之一

1936年，在號(hào)稱“工程師的搖籃”的美國(guó)麻省理工學(xué)院里，一位不速客悄悄推開(kāi)了博士生肖克利的房門。來(lái)者自報(bào)家門，說(shuō)明他來(lái)自貝爾實(shí)驗(yàn)室，大名叫做凱利。肖克利吃了一驚，他久聞這位著名物理學(xué)家的大名?！靶』镒樱敢鈦?lái)貝爾實(shí)驗(yàn)室工作嗎？”凱利快人快語(yǔ)，毫不掩飾自己來(lái)麻省“挖人”的意圖。凱利的話使肖克利怦然心動(dòng)，貝爾實(shí)驗(yàn)室在電子學(xué)方面開(kāi)展著世界上規(guī)模最大的基礎(chǔ)研究，發(fā)明專利的注冊(cè)已達(dá)近萬(wàn)項(xiàng)之多。肖克利太愿意到貝爾實(shí)驗(yàn)室工作了！畢業(yè)后，他毫不遲疑地打點(diǎn)行裝，來(lái)到了新澤西。

貝爾實(shí)驗(yàn)室里早就有位青年人，似乎在等著肖克利的到來(lái)，他的名字叫布拉頓。布拉頓先后取得過(guò)理學(xué)碩士和哲學(xué)博士學(xué)位，從1929年起就加盟貝爾實(shí)驗(yàn)室。兩位青年志趣相投，一見(jiàn)如故。肖克利專攻理論物理，布拉頓則擅長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)物理，知識(shí)結(jié)構(gòu)相得益彰，大有相見(jiàn)恨晚的感覺(jué)。工作之余，他們也常聚在一起“侃大山”。從貝爾電話上的繼電器，到弗萊明、德福雷斯特發(fā)明的真空管，凡是涉及到當(dāng)時(shí)電子學(xué)中的熱門話題無(wú)話不談。直到有一天，肖克利講到一種“礦石”時(shí)，思想碰撞的火花終于引燃了“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”。

肖克利激動(dòng)地對(duì)布拉頓說(shuō)，“有一類晶體礦石被人們稱為半導(dǎo)體，比如鍺和硅等等，它們的導(dǎo)電性并不太好，但有一些很奇妙的特性，說(shuō)不定哪天它們會(huì)影響到未來(lái)電子學(xué)的發(fā)展方向?！辈祭D心領(lǐng)神會(huì)，連連點(diǎn)頭稱是。

如果不是第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，肖克利和布拉頓或許更早就“挖掘”到什么“珍寶”，然而，戰(zhàn)爭(zhēng)畢竟來(lái)臨了，肖克利和布萊頓先后被派往美國(guó)海軍部從事軍事方面的研究，剛剛開(kāi)始的半導(dǎo)體課題遺憾地被戰(zhàn)火中斷。

1945年，戰(zhàn)火硝煙剛剛消散，肖克利一路風(fēng)塵趕回貝爾，并帶來(lái)了另一位青年科學(xué)家巴丁。肖克利向布拉頓介紹說(shuō)，巴丁是普林斯頓大學(xué)的數(shù)學(xué)物理博士，擅長(zhǎng)固體物理學(xué)。巴丁的到來(lái)，對(duì)肖、布的后續(xù)研究如虎添翼，他淵博的學(xué)識(shí)和固體物理學(xué)專長(zhǎng)，恰好彌補(bǔ)了肖克利和布拉頓知識(shí)結(jié)構(gòu)的不足。

貝爾實(shí)驗(yàn)室迅速批準(zhǔn)固體物理學(xué)研究項(xiàng)目上馬，凱利作為決策者在課題任務(wù)書上簽署了大名。由肖克利領(lǐng)銜，布拉頓、巴丁等人組成的半導(dǎo)體小組把目光盯住了那些特殊的“礦石”。肖克利首先提出了“場(chǎng)效應(yīng)”半導(dǎo)體管實(shí)驗(yàn)方案，然而首戰(zhàn)失利，他們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)預(yù)期的那種放大作用。

1947年的圣誕節(jié)即將來(lái)臨，這天晌午時(shí)分，布拉頓和巴丁不約而同地走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室。在此之前，由于有巴丁固體表面態(tài)理論的指導(dǎo)，他倆幾乎接近了成功的邊緣。實(shí)驗(yàn)表明，只要將兩根金屬絲的接觸點(diǎn)盡可能地靠近，就可能引起半導(dǎo)體放大電流的效果。但是，如何才能在晶體表面形成這種小于0.4毫米的觸點(diǎn)呢？布拉頓精湛的實(shí)驗(yàn)技藝開(kāi)始大顯神威。他平穩(wěn)地用刀片在三角形金箔上劃了一道細(xì)痕，恰到好處地將頂角一分為二，分別接上導(dǎo)線，隨即準(zhǔn)確地壓進(jìn)鍺晶體表面的選定部位。

電流表的指示清晰地顯示出，他們得到了一個(gè)有放大作用的新電子器件！布拉頓和巴丁興奮地大喊大叫起來(lái)，聞聲而至的肖克利也為眼前的奇跡感到格外振奮。布拉頓在筆記本上這樣寫道：“電壓增益100，功率增益40……實(shí)驗(yàn)演示日期1947年12月23日下午?！弊鳛橐?jiàn)證者，肖克利在這本筆記上鄭重地簽了名。

晶體管的六十年：從搖滾時(shí)代到鉿

貝爾實(shí)驗(yàn)室60年前研制出的那款晶體管。幾乎我們今天使用的所有電子設(shè)備離開(kāi)晶體管都將無(wú)法生存。晶體管是微處理器的主要組件，也是我們今天許多產(chǎn)品的必備元件，如電視、汽車、收音機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、家用電器、計(jì)算機(jī)，甚至宇宙飛船等。

首款晶體管收音機(jī)內(nèi)置有四個(gè)晶體管，英特爾研制出的第一款計(jì)算機(jī)芯片——俗稱電腦的“大腦”，僅內(nèi)置2,300個(gè)晶體管，而英特爾于2007年11月發(fā)布的最新基于45納米生產(chǎn)工藝的芯片則包含8.2億個(gè)晶體管。

晶體管——微型開(kāi)關(guān)

晶體管 (微型引擎) 就像一個(gè)微型的“通斷開(kāi)關(guān)”，支持計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理，從而將我們帶入數(shù)字時(shí)代。那么鑄就今日輝煌成功的秘訣是什么呢?每新一代晶體管都會(huì)繼續(xù)變得更小、更快、更高效。英特爾工程師最近在其芯片公式和生產(chǎn)工藝中引入新材料，以推出基于采用英特爾革命性45 納米電路(如此小，以致于一個(gè)人體血細(xì)胞中可以放置300個(gè)這樣的晶體管)的英特爾?酷睿?微體系架構(gòu)的全新處理器，并將這種材料引入高k金屬柵極晶體管公式來(lái)提供突破性的速度與能效。下一步會(huì)怎么辦?英特爾將繼續(xù)推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，推出超乎我們想象的、能夠改變我們生活、工作、娛樂(lè)和通信方式的產(chǎn)品。

接通或斷開(kāi)

1947年最后的兩個(gè)月中，晶體管的發(fā)明很可能是20世紀(jì)最重要的發(fā)明。當(dāng)然，它對(duì)20世紀(jì)和21世紀(jì)日常生活的影響怎么估計(jì)都不為過(guò)。電子人士都親切地稱呼它“bug”，它的首次使用是在音頻信號(hào)的擴(kuò)大中。也正因此，上世紀(jì)50年代的第一款便攜式無(wú)線裝置被更普遍地稱為晶體管收音機(jī)。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，晶體管最重要的應(yīng)用是作為集成電路(IC)(更普遍地稱為芯片)中的開(kāi)關(guān)。

50年代的第一款晶體管收音機(jī)

正是其微型開(kāi)關(guān)的角色，使得芯片中可以放置數(shù)億個(gè)晶體管，而芯片也得以成為人們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娮釉O(shè)備的心臟，這些電子設(shè)備有電腦、筆記本電腦和服務(wù)器、移動(dòng)電話、微波、汽車，簡(jiǎn)直舉不勝舉。相比第一款晶體管收音機(jī)中放置4個(gè)晶體管，如今英特爾于2007年11月12日發(fā)布的全新處理器中的晶體管數(shù)量已經(jīng)達(dá)到8.2億個(gè)。任何芯片離開(kāi)晶體管都無(wú)法工作，任何計(jì)算機(jī)離開(kāi)晶體管也將無(wú)法工作，致使晶體管過(guò)去60年中在技術(shù)進(jìn)步中發(fā)揮著不可或缺的作用。更有趣的是，實(shí)質(zhì)上晶體管并不比普通的電燈開(kāi)關(guān)做得工作多的多：“接通”或“斷開(kāi)”。晶體管的接通狀態(tài)標(biāo)記為“1”，斷開(kāi)狀態(tài)標(biāo)記為“0”。大量晶體管將產(chǎn)生1和0供計(jì)算機(jī)用來(lái)計(jì)算、處理文本、播放 DVD 和顯示圖像。

晶體管的發(fā)明要?dú)w功于貝爾實(shí)驗(yàn)室的三位同事：JohnBardeen、WalterBrattain和WilliamShockley，他們也因?yàn)榇隧?xiàng)發(fā)明于1956年被授予諾貝爾物理獎(jiǎng)?。晶體管的名字是由貝爾電話實(shí)驗(yàn)室研究員JohnR.Pierce想出的。1948年5月，也就是此項(xiàng)發(fā)明隨后六七個(gè)月的時(shí)間里，他贏得實(shí)驗(yàn)室關(guān)于此項(xiàng)發(fā)明最易記名字的投票。單詞晶體管是“跨導(dǎo)” (導(dǎo)電) 和“可變電阻器”或“變阻器”的合成詞。

搖滾

Bardeen和Brattain于1947年成功研制出第一款點(diǎn)接觸晶體管(point-contacttransistor)，其中晶體管中的電流沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?。然后，晶體管將流經(jīng)它的電信號(hào)擴(kuò)大。在晶體管使用的初期，其主要應(yīng)用就是以比采用當(dāng)時(shí)更大更笨重的真空管更有效的方式來(lái)擴(kuò)大電信號(hào)。

為了加速晶體管的發(fā)展，貝爾實(shí)驗(yàn)室決定按許可提供晶體管技術(shù)。包括IBM和通用電氣在內(nèi)的26家公司購(gòu)買了許可，每個(gè)許可價(jià)值25,000美元。但是如果晶體管技術(shù)想要成功銷售，將需要吸引大眾的目光。多虧晶體管收音機(jī)，這一夢(mèng)想才得以實(shí)現(xiàn)。第一個(gè)晶體管收音機(jī)于1954年10月推出，內(nèi)含4個(gè)晶體管。現(xiàn)在的便攜式收音機(jī)意味著處處都可以享受音樂(lè)和獲取信息——即使在有辨識(shí)能力的成年人聽(tīng)力范圍之外。正是收音機(jī)的便攜性，催生了一場(chǎng)新的音樂(lè)革命——搖滾。

集成電路

50年代末，晶體管在收音機(jī)、電話和計(jì)算機(jī)中得以應(yīng)用，盡管它們比真空管小很多，但是如果要生產(chǎn)出新一代家電設(shè)備，它們還需要繼續(xù)縮小。因此，就需要第二項(xiàng)發(fā)明來(lái)處理單個(gè)晶體管龐大的二進(jìn)制計(jì)算能力，同時(shí)又能夠以日漸降低的成本進(jìn)行批量生產(chǎn)。

1958年，JackKilby (TexasInstruments) 和RobertNoyce (FairchildSemiconductor，隨后聯(lián)合創(chuàng)立英特爾) 發(fā)現(xiàn)一個(gè)集成電路 (IC或芯片) 中可以容納大量晶體管。相比當(dāng)時(shí)各個(gè)組件必須人工組裝的情形，這真是邁出巨大的一步。

45納米工藝的四核處理器已能容納8億個(gè)晶體管

芯片有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：較低的成本和更高的性能。這些均是指數(shù)級(jí)小型化的結(jié)果，這同樣還為生產(chǎn)工藝注入很大的動(dòng)力。1965年，于1968年和Noyce聯(lián)合創(chuàng)立芯片巨人英特爾的戈登·摩爾在一篇雜志文章上做出了預(yù)言，這便是后來(lái)廣為人知的“摩爾定律”。摩爾定律預(yù)測(cè)，芯片上晶體管的數(shù)量每?jī)赡昃蜁?huì)翻一番，這將促進(jìn)處理能力的大幅提升。如何將更多微小的元器件高度集成在很小的面積上，就成為了影響芯片突破性進(jìn)步的決定性因素。

芯片制造商40多年來(lái)一直保持這一指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。英特爾于1971年推出的首款計(jì)算機(jī)芯片內(nèi)包含2,300個(gè)晶體管。1989年推出的i486具有1,200,000個(gè)晶體管，2000年推出的奔騰的晶體管數(shù)量已經(jīng)達(dá)到4200萬(wàn)。而英特爾最新的45納米芯片則內(nèi)置8.2億個(gè)晶體管。

與原子共舞

摩爾定律也多次被預(yù)言要終止。根據(jù)定義，沒(méi)有任何指數(shù)是永遠(yuǎn)存在的，盡管芯片制造商始終在尋找各種手段來(lái)力爭(zhēng)“永遠(yuǎn)”。去年九月，戈登·摩爾預(yù)測(cè)，這一定律還會(huì)再持續(xù)至少10到15年——這期間，新的挑戰(zhàn)還不斷產(chǎn)生，可能會(huì)導(dǎo)致摩爾定律終止前行的腳步。但是有很長(zhǎng)一段時(shí)間，似乎計(jì)算機(jī)世界最著名的定律難以挺進(jìn)21世紀(jì)。

為保持摩爾定律所述的呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，晶體管的體積大約每24個(gè)月就需要縮小一半。這一小型化戰(zhàn)爭(zhēng)使晶體管的其中一個(gè)關(guān)鍵部件達(dá)到極限：即柵極和通道 (當(dāng)晶體管打開(kāi)時(shí)電流流經(jīng)該通道) 之間的絕緣層——二氧化硅(SiO2)。每新一代芯片中該絕緣層的厚度都在不斷減小——直到前兩代產(chǎn)品，其厚度只有1.2納米也就是5個(gè)原子厚。英特爾工程師簡(jiǎn)直一個(gè)原子也無(wú)法再縮減了。

隨著絕緣層越來(lái)越薄，便引發(fā)了漏電率問(wèn)題。它就像一個(gè)滴水龍頭：絕緣層開(kāi)始將電流漏到晶體管。這就導(dǎo)致晶體管行為異常，浪費(fèi)掉很多能源。結(jié)果就是：芯片用掉越來(lái)越多的電流，從而產(chǎn)生額外的熱量。

根本限制

漏電的晶體管是半導(dǎo)體行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)：若不是取得重大突破，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)自己仍在同長(zhǎng)期預(yù)期的根本限制作斗爭(zhēng)。這不僅意味著摩爾定律的終止，它還有可能使過(guò)去十年的數(shù)字革命嘎然停止。每24個(gè)月性能就翻一番的計(jì)算機(jī)芯片也只能成為歷史了。

通過(guò)加厚絕緣層，我們找到了這一危機(jī)的解決方案。只有采用不同的材料做絕緣層才能解決這個(gè)問(wèn)題——包含額外原子。2007年1月，英特爾宣布，四十年來(lái)首次采用鉿代替二氧化硅作絕緣層，鉿是一種銀灰色的金屬，它具有較好的電子特性，并可將漏電率降低10%。戈登·摩爾自己也將此次突破稱為“自上世紀(jì)六十年代以來(lái)晶體管技術(shù)最重要的變革”。

然而，這一突破也僅僅是該解決方案的一半。新材料原來(lái)與晶體管的另一個(gè)重要部件——柵極不兼容。更糟的是，采用新絕緣材料的第一批晶體管效率甚至比原先的晶體管還要低。答案同樣在于采用一種新的柵極材料：一種獨(dú)特、專有的金屬組合，英特爾將其作為一個(gè)嚴(yán)加保守的秘密。

2007年11月12日，英特爾推出了采用這些新材料，并基于45納米生產(chǎn)工藝的新一代芯片。相比原先的65納米生產(chǎn)工藝，這一更纖巧的生產(chǎn)工藝支持英特爾將同一表面上晶體管的數(shù)量增加近一倍，從而支持公司在增加晶體管總數(shù)或者制造更纖巧的芯片之間進(jìn)行選擇。由于45納米晶體管比前一代晶體管更加小巧，因而其接通和斷開(kāi)所需的能源也降低達(dá)30%。結(jié)果就是：英特爾的新一代45納米芯片不但開(kāi)創(chuàng)了新的性能記錄，還實(shí)現(xiàn)了能耗降低方面的一次重大突破。

過(guò)去幾十年來(lái)，晶體管和芯片以更低的成本提供了更高的處理能力。事實(shí)證明，這是實(shí)現(xiàn)世界經(jīng)濟(jì)自動(dòng)化的終極引擎。然而，芯片和計(jì)算機(jī)的發(fā)展道路仍然十分漫長(zhǎng)。多年來(lái)，計(jì)算機(jī)已發(fā)展成為人類各種命令的出色執(zhí)行者。它可以打印信函，發(fā)送電子郵件，處理電子數(shù)據(jù)表中的計(jì)算雜務(wù)以及播放電影等。在未來(lái)，計(jì)算機(jī)將成為人們的顧問(wèn);它將學(xué)習(xí)我們的行為并相應(yīng)地進(jìn)行自我調(diào)整。這一發(fā)展方向的初步試驗(yàn)步驟可在以消費(fèi)者為中心的網(wǎng)站，例如Amazon和iTunes上看到。它們根據(jù)消費(fèi)者自身的購(gòu)買行為，就其它購(gòu)買向消費(fèi)者提供了各種建議。

摩爾定律所帶來(lái)的更高處理能力還能夠使人類解決當(dāng)前造成重大影響的各種問(wèn)題：氣候、(遺傳性)疾病、經(jīng)濟(jì)的醫(yī)療護(hù)理，以及闡釋遺傳學(xué)的種種神秘現(xiàn)象等。五年前，當(dāng)前研究此類問(wèn)題的方式和速度還不可想象。此類應(yīng)用能夠改變生活并拯救生命。計(jì)算機(jī)和芯片的處理能力越強(qiáng)大，這些對(duì)于人類如此重要的研究領(lǐng)域的成果就越值得關(guān)注。摩爾定律未來(lái)十年的延續(xù)將非常令人期待。