20世紀(jì)初，科學(xué)家們知道如何通過將尖銳的金屬探針與半導(dǎo)體晶體接觸來制造兩端二極管。這些點(diǎn)接觸二極管可以將振蕩信號(hào)變?yōu)榉�(wěn)定信號(hào)，并廣泛用作晶體無線電接收器中的檢測(cè)器。到 1920 年代，發(fā)明家開始研究使用半導(dǎo)體來放大和切換信號(hào)。

　　一些最早的半導(dǎo)體放大器工作來自東歐。1922-23 年，列寧格勒 Nizhegorod 無線電實(shí)驗(yàn)室的俄羅斯工程師 Oleg Losev 發(fā)現(xiàn)點(diǎn)接觸鋅礦 (ZnO) 晶體二極管的一種特殊工作模式支持高達(dá) 5 MHz 的信號(hào)放大。盡管 Losev 多年來一直在無線電電路中試驗(yàn)這種材料，但他于 1942 年的列寧格勒圍城戰(zhàn)中死去，無法為他在歷史上的地位辯護(hù)，所以他的作品基本上不為人知。

　　奧匈帝國(guó)物理學(xué)家 Julius E. Lilienfeld 移居美國(guó)，并于 1926 年申請(qǐng)了“控制電流的方法和裝置”的專利，其中他描述了一種使用硫化銅半導(dǎo)體材料的三電極放大裝置。Lilienfeld 被認(rèn)為發(fā)明了電解電容器，但沒有證據(jù)表明他制造了一個(gè)工作放大器。然而，他的專利與后來的場(chǎng)效應(yīng)晶體管有足夠的相似之處，因此拒絕了未來對(duì)該結(jié)構(gòu)的專利申請(qǐng)。

　　德國(guó)科學(xué)家也為這項(xiàng)早期研究做出了貢獻(xiàn)。1934 年在英國(guó)劍橋大學(xué)工作時(shí)，德國(guó)電氣工程師和發(fā)明家 Oskar Heil 申請(qǐng)了一項(xiàng)專利，該專利通過電極上的電容耦合控制半導(dǎo)體中的電流——本質(zhì)上是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

　　1938 年，羅伯特·波爾 (Robert Pohl) 和魯?shù)婪?middot;赫爾希 (Rudolf Hilsch) 在哥廷根大學(xué)用三個(gè)電極對(duì)溴化鉀晶體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他們報(bào)告了低頻(約 1 赫茲)信號(hào)的放大。這些研究都沒有帶來任何應(yīng)用，但 Heil 因其在高保真揚(yáng)聲器中使用的空氣運(yùn)動(dòng)變壓器而在今天的發(fā)燒友圈中被人們銘記。

　　天才肖克利

　　由于其可靠性差和功耗大，到 1930 年代后期美國(guó)電話電報(bào)公司的工程師就知道真空管電路無法滿足公司對(duì)電話容量快速增長(zhǎng)的需求。貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究主管 Mervin J. Kelly 指派 William Shockley 研究使用半導(dǎo)體技術(shù)替代電子管的可能性。

　　1945 年初，肖克利使用戰(zhàn)爭(zhēng)期間為雷達(dá)探測(cè)器開發(fā)的改進(jìn)半導(dǎo)體材料試驗(yàn)了一種場(chǎng)效應(yīng)放大器，其概念類似于Heil和Lilienfeld的專利，但未能如他所愿地工作。物理學(xué)家約翰·巴丁 (John Bardeen) 提出，半導(dǎo)體表面的電子可能會(huì)阻止電場(chǎng)滲透到材料中。

　　在 Shockley 的指導(dǎo)下，Bardeen 與物理學(xué)家 Walter Brattain 一起開始研究這些“表面狀態(tài)”的行為。

　　Walter Houser Brattain(1902-1987)跟隨父母在華盛頓州托納斯基特附近的一個(gè)牧場(chǎng)定居。他在俄勒岡大學(xué)獲得碩士學(xué)位，在明尼蘇達(dá)大學(xué)獲得博士學(xué)位。Brattain 于 1929 年作為研究物理學(xué)家加入貝爾實(shí)驗(yàn)室，在那里他被認(rèn)為是一名熟練的實(shí)驗(yàn)家。

　　理論物理學(xué)家約翰·巴丁(John Bardeen，1908-1991 年)出生于威斯康星州麥迪遜市，曾作為神童在學(xué)校跳了三年級(jí)。他在威斯康星大學(xué)獲得碩士學(xué)位，在普林斯頓大學(xué)獲得博士學(xué)位，在那里他對(duì)固態(tài)物理學(xué)產(chǎn)生了興趣。

　　在秘密代號(hào)“The Surface State Job”下，他們的項(xiàng)目是美國(guó)電話電報(bào)公司的研究機(jī)構(gòu)貝爾實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)重要優(yōu)先事項(xiàng)，旨在尋找體積更小、功率更低的替代品來替代笨重、耗電的真空管。實(shí)驗(yàn)室的研究主任 Mervin J. Kelly 認(rèn)為晶體半導(dǎo)體材料，如鍺或硅，可能提供解決方案。為此在1936 年，他從麻省理工學(xué)院 (MIT) 招募了 William Shockley 來研究固體。

　　William Bradford Shockley出生于英國(guó)倫敦，父母是美國(guó)人，他在加利福尼亞州帕洛阿爾托度過了他的青年時(shí)代，那里距離著名的惠普車庫(kù)僅幾碼之遙。作為一個(gè)早熟的孩子，他“脾氣暴躁，被寵壞了，幾乎無法控制，這讓溺愛他的父母的生活變得悲慘”。他在加州理工學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，在麻省理工學(xué)院獲得理論物理學(xué)博士學(xué)位。才華橫溢的英特爾公司戈登摩爾評(píng)論說，肖克利“可以看到電子”，但Shockley自負(fù)且反復(fù)無常，因此雖然他得到管理層的支持，但在同行中不太受歡迎。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Charles Townes更是直言：“他什么都懂，就是不懂人。”

　　1939 年，肖克利確信他可以找到基于固體材料的解決方案，他寫道：“今天我想到，原則上可以使用半導(dǎo)體而不是真空滾來制造放大器。” Brattain 協(xié)助 Shockley 對(duì)我們今天稱之為場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 的想法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但沒有取得有用的結(jié)果。

　　但隨之而來的第二次世界大戰(zhàn)打亂了這項(xiàng)工作，但在1945年肖克利聘請(qǐng)約翰巴丁并請(qǐng)他看看他是否能發(fā)現(xiàn)他的設(shè)計(jì)有什么問題時(shí)，它又恢復(fù)了。Bardeen 最初得出結(jié)論，它應(yīng)該有效。

　　FET 是一種使用電場(chǎng)來控制半導(dǎo)體材料中電流流動(dòng)的器件。肖克利在麻省理工學(xué)院時(shí)代發(fā)表了一篇論文，假設(shè)表面附近的電子可以像材料主體中的電子一樣自由移動(dòng)。1946 年 3 月 19 日，巴丁從理論上確定這種說法不成立。他得出結(jié)論，該區(qū)域的電子必須被捕獲，從而產(chǎn)生一種表面狀態(tài)，從而形成運(yùn)動(dòng)障礙。

　　Bardeen 和 Brattain 在物理學(xué)家 Gerald Pearson 和化學(xué)家 Robert Gibney 的幫助下，致力于弄清楚他是否正確。到 1947 年初，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，他們證明了屏障的存在。作為他們的經(jīng)理，肖克利會(huì)就如何打破障礙提出建議，但不會(huì)參與他們的日常工作。

　　神奇的11月

　　11 月 17 日星期一，Gibney建議Brattain在上表面的金屬板和鍺晶體板背面的觸點(diǎn)之間施加電壓，以產(chǎn)生垂直于表面的強(qiáng)電場(chǎng)。在電觸點(diǎn)接觸材料的點(diǎn)滴一滴液態(tài)電解質(zhì)，中和了表面狀態(tài)，并在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了可測(cè)量的場(chǎng)效應(yīng)。

　　按照 Bardeen 的建議，用一個(gè)被電解質(zhì)包圍的尖銳金屬點(diǎn)探測(cè)表面，11 月 21 日，Brattain 制作了一個(gè)功能放大器，盡管頻率非常低。在肖克利所謂的“魔法月”期間，在黑板和實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)椅上進(jìn)行了幾周的長(zhǎng)時(shí)間和狂熱的活動(dòng)，結(jié)合處理材料的偶然“意外”和聰明的直覺，利用他們所學(xué)的知識(shí)，在沒有電解質(zhì)的存在。

　　Bardeen 計(jì)算出減少兩個(gè)觸點(diǎn)之間的距離會(huì)增強(qiáng)效果。Brattain 想出了一種巧妙的方法，將金箔粘合到一個(gè)塑料楔子上，然后用外科手術(shù)精確地用剃須刀片切割尖端，以創(chuàng)建兩個(gè)由一張紙的寬度分開的接觸點(diǎn)。

　　1947 年 12 月 16 日星期二下午，他們連接了一個(gè)彈簧，將這個(gè)粗糙的裝置牢牢地壓在鍺表面上。Brattain 發(fā)現(xiàn)，如果他把它擺動(dòng)得恰到好處，“我就有了一個(gè)放大倍數(shù)為 100 的放大器，清晰到音頻范圍。”

　　于是，固態(tài)半導(dǎo)體放大器誕生。

　　Bardeen 和 Brattain 晶體管的元件

　　他和布拉頓一致認(rèn)為：“我們應(yīng)該告訴肖克利我們今天做了什么。”

　　Bardeen很少在家里討論他的工作;然而，那天晚上，他對(duì)在廚房剝胡蘿卜的妻子隨口說了一句：“今天有發(fā)現(xiàn)。” “那太好了，”她下意識(shí)地回答。一段時(shí)間后，Jane發(fā)現(xiàn)那個(gè)東西是晶體管。

　　值得一提的是，同年年初，德國(guó)物理學(xué)家赫伯特·馬塔雷 (Herbert Mataré) 和他的同事海因里希·韋爾克 (Heinrich Welker) 在研究一種他稱之為“干涉”的現(xiàn)象時(shí)，在法國(guó)巴黎的西屋實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立制造了一種基于鍺的放大器，其表面有兩個(gè)點(diǎn)接觸點(diǎn)。當(dāng)他們得知貝爾實(shí)驗(yàn)室的公告時(shí)，Mataré 和 Welker 為他們自己的設(shè)備申請(qǐng)了專利，他們稱之為“晶體管”。

　　晶體管終于誕生

　　肖克利承認(rèn)，Bardeen 和 Brattain的消息在其心中激起了矛盾的情緒。“我對(duì)團(tuán)隊(duì)成功的欣喜與不是發(fā)明者之一的挫敗感相抵消。” 肖克利說。但是，他同樣意識(shí)到他們的突破的重要性，并計(jì)劃于1947 年 12 月 23 日星期二下午為貝爾高管安排了一次放大器演示。

　　Brattain 對(duì) 1947 年 12 月 23 日展示的記錄

　　Brattain 在他的筆記本上用麥克風(fēng)和耳機(jī)記錄道，“這個(gè)電路實(shí)際上已經(jīng)被討論過并且......可以在示波器演示中聽到和看到。” 可悲的是，沒有人記得說了什么，只記得它起作用了。肖克利稱其為“絕妙的圣誕禮物”。

　　圣誕節(jié)后的幾天內(nèi)，貝爾實(shí)驗(yàn)室的專利代理人開始記錄他們的工作并準(zhǔn)備公開宣布。由于肖克利的自我驅(qū)動(dòng)和自我推銷活動(dòng)使他成為貝爾實(shí)驗(yàn)室最引人注目的代言人，命令下達(dá)了要求，在他不在場(chǎng)的情況下，不得給Bardeen 和 Brattain拍照。當(dāng)時(shí)的宣傳照片顯示他在現(xiàn)場(chǎng)的正面和中心。

　　1948 年 6 月 30 日在紐約舉行的*次新聞發(fā)布會(huì)上，一位發(fā)言人聲稱晶體管“可能在電子和電氣通信方面具有深遠(yuǎn)的意義”。紐約時(shí)報(bào)不為所動(dòng)，將這個(gè)故事降級(jí)到“廣播新聞”頁面——低于肥皂劇贊助商的公告。

　　Brattain 的同事 John Pierce 被認(rèn)為是想出這個(gè)名字的人。他同時(shí)也意識(shí)到它是根據(jù)跨電阻原理工作的，皮爾斯從稱為電阻器的相關(guān)電子元件中衍生出晶體管。

　　AT&T 的設(shè)備部門 Western Electric 于 1951 年開始制造點(diǎn)接觸晶體管，到 1952 年年中，每月生產(chǎn) 6,000 多個(gè)器件，主要用于電話交換系統(tǒng)和助聽器。

　　根據(jù) Brattain 的說法，Shockley 正在推動(dòng)將他的一些想法納入他們的專利申請(qǐng)，“演示后不久，Bardeen 和我分別打電話給我們，并告訴我們有時(shí)做這項(xiàng)工作的人并沒有得到我告訴他，‘哦見鬼，Shockley，這對(duì)每個(gè)人來說都有足夠的榮耀了。” 但他獨(dú)自離開，在家工作，在某種程度上不再是研究團(tuán)隊(duì)的一員了。”

　　然而基于他對(duì)理解半導(dǎo)體物理學(xué)的理論貢獻(xiàn)和他發(fā)明的結(jié)型晶體管，肖克利與巴丁和布拉頓一起接受了 1956 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰“半導(dǎo)體研究和晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)”。

　　由于嫉妒沒有更明顯地參與晶體管的發(fā)明，以及保持他相對(duì)于下屬的地位的需要，肖克利開始了為期一個(gè)月的密集理論活動(dòng)。他確定點(diǎn)接觸晶體管操作不是假設(shè)的近表面場(chǎng)效應(yīng)，而是由于晶體主體中稱為 PN 結(jié)的完全不同的結(jié)構(gòu)。

　　由于這項(xiàng)工作，肖克利于 1948 年 1 月 23 日構(gòu)想出一種截然不同的元件，稱為結(jié)型晶體管，事實(shí)證明它比點(diǎn)接觸器件更可靠，也更容易批量生產(chǎn)。在貝爾實(shí)驗(yàn)室于 1951 年 7 月 4 日宣布取得進(jìn)展之前，制造工作晶體管仍然是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。他的版本通過啟用新一代強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)成為未來數(shù)十年的主要有源電子構(gòu)建塊。

　　值得一提的是，基于他對(duì)理解半導(dǎo)體物理學(xué)的理論貢獻(xiàn)和他發(fā)明的結(jié)型晶體管，肖克利與巴Bardeen 和 Brattain一起接受了 1956 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以表彰“半導(dǎo)體研究和晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)”。

　　而在接下來的發(fā)展中，開發(fā)了許多不同的制造方法來更快、更便宜和更可靠的晶體管。1954 年的一項(xiàng)重要進(jìn)展是硅晶體管，首先由貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Morris Tanenbaum 開發(fā)，不久之后由新貴德州儀器公司的化學(xué)家 Willis Adcock 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)。到 20 世紀(jì) 50 年代末，硅已成為業(yè)界*材料，TI 成為主要的半導(dǎo)體供應(yīng)商。

　　隨后，傳奇公告Fairchild在 1958 年推出的雙擴(kuò)散硅臺(tái)面晶體管取得了巨大的商業(yè)成功。瑞士物理學(xué)家 Jean Hoerni 的革命性平面工藝解決了威脅公司未來的可靠性問題。Hoerni 的平面技術(shù)不僅將晶體管制造從半手工操作轉(zhuǎn)變?yōu)榇笈�量自�?dòng)化生產(chǎn)。它還促進(jìn)了現(xiàn)代集成電路 (IC) 的發(fā)展。

　　MOSFET的到來

　　經(jīng)過幾年的發(fā)展，Lilienfeld 和 Heil 以及 Shockley 失敗的早期實(shí)驗(yàn)的想法也終于在 1959 年取得成果。當(dāng)時(shí)韓國(guó)電氣工程師 Dawon Kahng 為埃及工程師 Martin M. (John) Atalla 在貝爾實(shí)驗(yàn)室研究半導(dǎo)體表面工作，并建立了*個(gè)成功的效應(yīng)晶體管 (FET：field-effect transistor )，由金屬(M–柵極)、氧化物(O – 絕緣)和硅(S – 半導(dǎo)體)層組成。這也是后來大家熟知的MOSFET(通常簡(jiǎn)稱為 MOS)，讓更小、更便宜、功率更低的晶體管成為可能。

　　Fairchild 和 RCA 于 1964 年推出了商用 MOS 晶體管。但在用 MOS 工藝解決早期制造問題的十年中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的單個(gè)晶體管在很大程度上已被 IC 取代。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，MOS 晶體管被證明是構(gòu)建高密度 IC(例如微處理器和存儲(chǔ)器)的最實(shí)用方法。每天制造的數(shù)十億個(gè)晶體管中，接近 100% 是 MOS 器件。

　　與大多數(shù)技術(shù)發(fā)展一樣，現(xiàn)代晶體管的發(fā)明遵循培根式模式，即從真正國(guó)際化的工程師和科學(xué)家群體建立的“不斷增長(zhǎng)的知識(shí)庫(kù)”中逐漸出現(xiàn)，而不是從一個(gè)英雄的“發(fā)明家”的單獨(dú)努力中產(chǎn)生。”