欧洲如何错过晶体管

1948年末，贝尔电话实验室宣布发明晶体管，欧洲开始传出令人惊讶的消息。德国雷达项目的两位物理学家Herbert Mataré和Heinrich Welker在巴黎的西屋子公司工作时，声称发明了一种惊人相似的半导体器件，他们称之为晶体管。

这两个笨拙的装置之间的相似之处令人不可思议。事实上，他们几乎是一样的！就像革命性的贝尔实验室设备（被称为点控制晶体管）一样，晶体管的特点是两个间距很近的金属点戳入一条窄锗条的表面。来自巴黎的消息在贝尔实验室尤其令人不安，因为它最初试图制造如此精致的小发明，但后来在噪音、稳定性和一致性方面遇到了严重困难。

因此，在1949年5月，贝尔实验室的研究人员阿兰·霍尔顿（Alan Holden）在访问英国时，前往巴黎，在巴黎四处窥探，亲眼目睹了这项据称的发明。他在5月14日写给贝尔实验室固态物理小组组长威廉·肖克利（William B.Shockley）的信中透露：“法国晶体管的这项业务很难解开，也就是说，他们是否独立开发了晶体管。”。“当我们到达时，他们正在从室内的发射机向室外的一个小型便携式无线电接收机发射信号，他们说这是由晶体管调制的。”

四天后，法国邮政部长Télégrapes et Téle phones（PTT）向法国媒体宣布了transistron的发明，称赞这对搭档的成就是“法兰西的辉煌历史。”第二次世界大战在欧洲结束仅四年后，一只闪亮的科技凤凰就奇迹般地从废墟的灰烬中升起。

霍尔顿在信中坦率地承认：“巴黎的PTT团队对我来说似乎很好。”。“他们在巴黎郊区的各种老鼠洞、农舍、奶酪厂和监狱里都有小团体。他们都很年轻，很热心。”这些小而激进的研究团体中的一个，藏身于附近Aulnay-sous-Bois村的一所改造过的房子里，很明显，本世纪的发明很可能是一项引人注目的成就&一种半导体设备，它将催生一个具有不可估量价值的大规模全球新产业。还是有？

正如贝尔实验室晶体管一样，1947年12月，约翰·巴丁（John Bardeen）和瓦尔特·H·布拉坦（Walter H.Brattain）发明了晶体管，这项技术是在战时对雷达接收机急需的半导体材料进行研究的基础上发展起来的。在欧洲，正是德国的雷达项目催生了这项发明。马塔雷和韦尔克在这项紧急研发计划中发挥了关键作用，为这个饱受战争蹂躏的国家的不同方面工作。

马塔雷[见“双管晶体管”]，他在加州马里布的家中分享了自己的回忆，于1939年9月加入了德国的研究工作，当时希特勒强大的军队正轰轰烈烈地席卷波兰。在获得亚琛技术大学应用物理学硕士学位后，他开始在德国Telefunken公司位于柏林的实验室从事雷达研究。在那里，他开发了抑制超外差混频器中噪声的技术，该混频器将从雷达目标反弹的高频雷达信号转换为可以在电子电路中更容易操作的低频信号。根据1942年发表的这项研究，马塔雷获得了柏林技术大学的博士学位。

当时，德国雷达系统的工作波长短至半米。但该系统无法在较短波长下工作，因为这样可以更好地识别较小的目标，如敌机。问题是早期雷达接收机中整流电流的真空管二极管无法在高频下工作。它们的尺寸——尤其是二极管阳极和阴极之间的间隙——太大了，无法应对超短波和高频波。作为一个可能的替代品，马塔雷开始自己试验固态晶体整流器，类似于他十几岁时修补过的“猫叫”探测器。

在20世纪20年代，他建造了水晶收音机，通过无线电波收听古典音乐，然后开始填充以太。他是比利时血统，在德国亚琛一个沉浸于音乐的家庭中长大。他的每一台收音机的核心都是一小块半导体材料，如方铅矿（硫化铅）或硅，一根易碎的电线小心翼翼地插入其表面。由于直到20世纪30年代末才有人完全理解的原因，该探测器将天线的交流电信号整流为驱动耳机所需的直流信号。

类似的点控制装置，尤其是由硅制成的装置，可以用作雷达接收机超外差混频器电路中所需的整流器，该混频器通过将输入信号与内部振荡器的输出混合来降低接收频率。因为这种晶体整流器的电气作用被限制在半导体表面上一个非常小的、几乎是微观的区域，所以该器件可以在相对较高的频率下整流电流。

德国慕尼黑西门子公司（Siemens AG）的沃尔特·肖特基（Walther Schottky）和英国布里斯托尔大学（University of Bristol）的内维尔·F·莫特（Nevill F.Mott）的理论工作，使马塔雷（Mataré）和其他雷达研究人员更好地了解了尖锐金属尖端下方发生的情况。当点接触到半导体表面时，多余的电子迅速流入半导体表面，在其下方的材料中留下一个不到一微米深的中性“阻挡层”。然后，这个狭窄的区域就像一个不对称的阻挡层，阻止电子进一步流动。它们可以更容易地从半导体表面跃迁到金属点，而不是相反，这实际上限制了电流流向一个方向。

随着战争的深入，总部位于柏林的德国雷达部门领导人敦促德国空军对波长远低于50厘米（我们现在称之为微波范围）的系统进行研究。他们认为，这样的系统将足够小，可以安装在战机上，通过浓雾探测接近的敌机。

但德国军事领导人对早期的胜利沾沾自喜，对这些请求置之不理。德国空军首席执行官赫尔曼·戈林（Hermann Göring）曾在第一次世界大战中担任开放式驾驶舱战斗机飞行员，他坚信，雅利安战士固有的战斗能力使电子系统变得多余。“我的飞行员，”他吹嘘道，“船上不需要电影院！”

然而，1943年2月，当一架英国斯特林轰炸机在荷兰鹿特丹上空坠毁后，一切都发生了变化。这架轰炸机揭示了德国在雷达技术方面落后于盟国有多远。戈林下令对轰炸机的9厘米雷达系统进行彻底分析，并从前线召回了1000多名科学家、工程师和技术人员，拼命追赶。到了夏天，他们已经建立了一个工作原型，但为时已晚。盟军轰炸机在机载雷达系统的协助下，即使在恶劣天气也能让飞行员操作，正在摧毁德国的城市，却越来越不受惩罚。

马塔雷在一次采访中回忆起了突然的紧迫感。他加强了之前在晶体整流器方面的研发工作，尤其是那些硅制整流器，它们似乎最适合微波接收。但盟军对柏林的轰炸使Telefunken研究人员的生活极为困难。他在一本未出版的回忆录中写道：“炸弹袭击期间，我在地铁站呆了很多小时。”。因此，在1944年1月，该公司将大部分雷达研究转移到西里西亚（现波兰弗罗茨瓦夫）的布雷斯劳。马塔雷在附近卢布斯的一个老修道院工作。

为了让硅整流器投入生产，Mataré全职工作，很少有机会致力于降低雷达接收机中的振荡器噪声——这是他博士论文的成果。但他确实成功地建造并研究了一种有趣的新器件——晶体“双二极管”，其中两个间距很近的金属点接触半导体表面，形成两个相邻的晶体整流器。如果它们具有相同的电阻和电容，这两个整流器可以用于特殊电路中，以消除超外差混频器振荡器的噪声。通过一个整流器发出的噪声与混频器发出的总信号相加，而通过另一个整流器的噪声与该信号相减。但为了确保相同的电气特性，这些点必须非常接近，距离小于一毫米，以便两者都接触到半导体表面上相同的微小晶粒。

马塔雷研究了物理学家卡尔·塞勒（Karl Seiler）在布雷斯劳（Breslau）提供的硅样品和德国空军（Luftwaffe）慕尼黑附近研究团队（包括他未来的同事韦尔克（Welker））提供的锗样品。虽然硅在雷达接收机中工作得更好，因为它可以在更高的频率下整流，但锗双二极管表现出了有趣的行为。马塔雷声称，当两个点接触到相距不到100微米的表面时，他偶尔会注意到，通过改变一个点上的电压，他可以影响通过另一个点的电流，这是一种他称之为“干扰”的现象似乎他的一个观点可能会影响一个区域，该区域远远超出肖特基理论预测的狭窄屏障层。

Mataré偶然发现了一种影响这一层的方法，该方法顽固地阻碍了早期制造固态放大器的尝试。但战时的紧急情况使他无法进一步追求这种有趣的可能性。

1945年1月，德国东部战线崩溃，俄罗斯军队迅速逼近布雷斯劳。卢布的Telefunken实验室被仓促放弃，马塔雷的所有实验书籍和记录都被烧毁，以防落入敌人手中。该组织试图重建其在德国中部的研发项目，但美国陆军在1945年4月横扫德国时终止了这一努力，幸运地将马塔雷送回家，与他在卡塞尔附近的家人团聚。

马塔雷未来的同事威尔克也没有幸免战争的耻辱。1944年10月，盟军炸弹摧毁了他在慕尼黑附近的实验室。第二年年初，这位理论物理学家开始思考如何使用硅和锗制造固态放大器，他在20世纪30年代曾研究金属中电子的量子力学。

这两种元素在20世纪30年代被广泛视为金属，但它们明显的金属行为主要是由于可用样品中杂质含量高。例如，当周期表第五列元素的外来原子砷和磷滞留在硅或锗的四面体晶体结构中时，它们最外层的五个电子中的四个与附近的原子形成强键，但第五个很容易被击落，因此可以通过晶体传输电流。研究人员在第二次世界大战期间用于建造雷达系统的高纯度硅和锗，目前的此类载体要少得多，其性能更像半导体而不是像金属一样。

1945年初，掌握了锗提纯技术的韦尔克认识到，这两种半导体可以用来制造我们现在所说的场效应晶体管。事实上，他想到的设备与肖克利几个月后在贝尔实验室建议的设备惊人地相似。

在这个方案中，来自金属板的电场应该渗透到其下方半导体带的薄层表面，将电子从其母原子中剥离出来，作为电流载体。施加在半导体条上的电压会使电流通过半导体条。至关重要的是，金属板上的电压变化会调节通过半导体条的电流。因此，较小的输入信号将导致流过板条的较大输出电流。大概Welker是这么想的。

但他在1945年3月进行的测试没有显示出这种放大效应。在他的日志中，他记录了“只有微小的影响”，其数量级低于肖特基理论的预测。肖克利（Shockley）、布拉坦（Brattain）和他们的贝尔实验室（Bell Labs）同事在同一年春天尝试了类似的测试，结果同样令人失望。

这些失败很快使巴丁提出了一个“表面态”的新概念，即自由电子以某种方式蜷缩在半导体表面，屏蔽了场。这一推测，以及布拉坦为确定表面状态的物理性质而进行的后续实验，导致他们于1947年12月发明了点压缩晶体管，这是在他们发现如何克服屏蔽的一个月之后。

失败后，韦尔克重返锗研究，恢复了对锗的理论研究超导电性他在战争期间不情愿地放弃了。1946年，英国和法国情报人员审问了他与德国雷达有关的事情。随后，他们为他提供了一个机会，让他在巴黎从事由西屋公司子公司西屋公司赞助的研发工作。目前的目标是制造锗整流器，用于电信以及军用电子产品。

1946年，马塔雷在母校亚琛教书时，也接受了经纪人的采访。他法语流利，也收到了类似的邀请。他热切地同意加入巴黎的努力，因为在遭到破坏、被占领的德国进行研究几乎是不可能的。

然后在他们三十五岁的时候，这两位德国物理学家在巴黎会面，并开始组织他们的行动。他们在城市西北部的中产阶级郊区Aulnay-sous-Bois发现了一座空置的两层石屋。Welker在其地下室安装了净化和结晶锗的设备。马塔雷的测试和测量实验室设在一楼，当年晚些时候，一条生产线开始制造每月数千个整流器。

在顶层，男人们经常在办公室和房间里过夜，尤其是在疯狂的第一年。马塔雷渴望地回忆起韦尔克在隔壁房间里拉小提琴时发出的柔和颤音。

随着整流器最终于1947年底投入生产，韦尔克恢复了对超导电性的研究，而马塔雷则开始研究战争期间他在锗双二极管中看到的奇怪的干扰效应。当他把两个点接触件分开不到100毫米时，他偶尔也会让其中一个影响另一个。事实上，如果一个点上有正电压，他可以调节甚至放大另一个点的电信号！马塔雷估计，他第一次认识到这种影响是在1948年初（可能是在巴丁和布拉坦在贝尔实验室取得突破后的一两个月）。但这仍然只是偶尔发生。

他凭直觉要求韦尔克制作更大的锗样品，从中可以切割出纯度更高的银。1948年6月，在巴丁和布拉坦之后的六个月，使用这种更高粒度的材料，马塔雷最终获得了一致的扩增。受到这一成功的鼓舞，他们给PTT秘书尤金·托马斯打了电话，邀请他过来演示。但托马斯显然太忙了，或者可能没有足够的兴趣。

大约在那时，韦尔克放下了他的理论工作，试图分析马塔雷奇特装置闪亮的锗表面下发生了什么。在一份未注明日期的手写文件中，韦尔克推测有一点他称之为“命令电极”或“控制电极”-在另一个电极下方的锗中产生强电场，改变了那里材料的导电性。

但马塔雷并不接受这种解释，这种解释遵循了韦尔克1945年尝试半导体放大器失败的逻辑。马塔雷回忆道，如果这种现象是由电场引起的，他应该看到第二个电极的电流减少，而不是在示波器上观察到的电流增加。根据这种场效应思想，控制电极上的正电势会在另一个电极下的锗中产生负电荷，这应该会加强那里阻挡层的电流阻塞效应。

相反，马塔雷认为，控制电极必须向锗中注入正电荷，称为空穴。他猜测，也许是通过沿着两个晶粒之间的边界滴流，它们到达了另一个微米远的电极。在那里，它们可以增强电极下的导电性，并增强通过电极的电流。“韦尔克并没有真正理解我的测量结果，”马塔雷说。“当时他正忙于研究超导。”

但是，当这两个人在辩论各自不同解释的优点时，大西洋彼岸传来了令人惊讶的消息。在6月30日的新闻发布会上，贝尔实验室突然揭开了为期六个月的秘密面纱，宣布巴丁、布拉坦和肖克利发明了晶体管。《纽约时报》于7月1日报道了这一突破，并于7月15日出版物理审查令人难以置信的是，贝尔实验室的固态放大器也有一对间距很近的金属点刺入锗表面。[见照片，“开门见山.”]

马塔雷很快了解了巴丁和布拉坦对他观察到的奇怪效果的解释。俘获在锗表面上的电子会在其下方产生一个浅层的正电荷层。控制电极（他们称之为“发射极”）发射的空穴很容易在该层内移动到输出电极（或“收集器”），显著提高了它下面的导电性，从而增加了流过它的电流。

贝尔实验室曝光后，马塔雷和韦尔克很容易让PTT部长参观他们的实验室。托马斯敦促他们申请半导体三极管的法国专利；他还建议他们用一个稍微不同的名字来称呼它：transistron。因此，这两位物理学家匆忙写下了一份专利披露，并将其转交给西屋律师。

8月13日，该公司提交了一份专利申请“新系统cristallináplusieursélactives réalisant des effects de[sic]relaiséelectroniques”“提交给工商部。它对锗内部可能发生的事情的简要描述主要遵循了Welker的场效应解释，但可能受到了Bardeen和Brattain的解释的影响。

在1949年5月的新闻发布会上，这两名德国人拥有了这台设备[参见“发明和发明人“]在有限的生产中，并开始装运装置，供PTT用作电话系统中的放大器，最初是在巴黎和利摩日之间的线路上。托马斯向巴黎媒体发表讲话，将这些设备与真空管进行了比较，并展示了它们在无线电接收机中的应用。记者称赞这两位物理学家“转瞬即逝”“（瞬变星之父）。年，一份更加谨慎但仍然有利的报告中写道，法国设备“结果……优于美国设备”Toute la电台技术期刊[见图纸和照片]。“后者的寿命有限，似乎相当不稳定，而现有的晶体管没有任何疲劳迹象。”

根据马塔雷的说法，这一优势可以归因于他们在制造设备时的谨慎。当用显微镜观察过程时，在小型装配线上工作的女性会用示波器测量两个金属点的电流-电压曲线，并在曲线符合所需特性后，用环氧树脂滴将这些点牢固地固定在锗上。1950年，布拉坦和肖克利访问巴黎小组时，马塔雷向他们展示了用晶体管制作的电话放大器，这使他可以一路打电话到阿尔及尔。半个世纪后，马塔雷回忆道，肖克利有点谨慎地承认：“这很了不起。”。

但法国政府和西屋电气未能利用他们当时在半导体领域的技术优势。广岛事件后，核物理已成为公众心目中占主导地位的科学学科核电被广泛认为是未来的浪潮。20世纪40年代，法国被无阻碍地追求核精灵迷住了，而对其前景不明的瞬变星一无所知。

Mataré和Welker在巴黎又挣扎了两年，但随着对他们经营的支持在20世纪50年代初减弱，他们开始在自己的祖国寻找工作。1951年，韦尔克在德国埃尔兰根的西门子公司任职，他在那里开创了III-V化合物半导体（如砷化镓）的早期研究。在20世纪50年代末和60年代初，这些材料在半导体激光器和发光二极管方面促成了一场小型光电子革命。韦尔克于1969年成为西门子所有研发项目的负责人，并于1977年退休。他于1981年去世。

1952年，在德国富商雅各布·迈克尔（Jakob Michael）的大力资助下，马塔雷搬到了德国杜塞尔多夫（Düsseldorf），并成立了一家名为Intermetall的公司。它开始制造类似于他在巴黎制造的点控制装置的锗整流器和晶体管。该公司购买或制造设备，帮助其生产质量更高的半导体器件。

1953年杜塞尔多夫无线电博览会是金属间化合物成就的顶峰。在那里，一位年轻的黑人女性展示了可能是世界上第一台晶体管收音机，它是围绕四个Intermetall点控晶体管建造的（见图）调谐输入“]一年多前，位于达拉斯的德克萨斯仪器公司（Texas Instruments Inc.）公开宣称自己拥有这一里程碑。

但在迈克尔将公司出售给克利夫兰的克莱维特公司后，该公司的重点几乎完全转移到了生产上，而不是研究上。马塔雷对这种情况感到失望，他离开了德国，移民到美国，在美国半导体行业找到了工作。即使到了今天，93岁的IEEE Life Fellow仍然活跃着，在他Malibu的家中就一些项目进行咨询，比如在南加州建造一个大型的创新光伏阵列（参见本期的“背景故事”）。

可以说什么是最重要的20世纪的发明显著地独立发生了两次。考虑到贝尔实验室设备的保密性，在1948年7月这一革命性发明的消息广为流传之前，马塔雷和韦尔克不可能受到这一知识的影响。从静止的历史记录中似乎可以清楚地看到，到那时，他们确实有了一个工作可靠的放大器。

这一几乎同时实现的双重突破部分归功于战时在提纯硅，尤其是锗方面取得的巨大进步。在这两种情况下，锗都起到了关键的网关作用，因为在战后的几年里，它可以比硅更容易精炼，纯度更高。这种高纯度半导体材料对于制造第一批晶体管是绝对必要的。

但贝尔实验室的团队有明确的优先权，并且对锗内部的电子和空穴是如何流动的有着卓越的物理理解。这一优势被证明对后来的成就至关重要，例如肖克利的结型晶体管[参见“晶体管的失传历史”IEEE综览，2004年5月]，更易于大规模生产，具有高可靠性和一致性。到了20世纪50年代中期，没有人再尝试制造点控制晶体管，该行业正转向硅。

在新兴半导体行业取得成功的一个关键因素是持续的这项创新在贝尔实验室、德州仪器和费尔柴尔德半导体（Fairchild Semiconductor）蓬勃发展，引领了硅晶体管和集成电路的发展。这就需要广泛的基础设施，包括材料和知识，以使这些公司保持在这个快速发展的领域的前沿。第二次世界大战后，由于战时雷达的努力，美国已经有了这样的基础设施。但法国没有可比的基础设施，不得不从被占领的德国引进人才，直到20世纪50年代，德国才能够利用自己的雷达技术。

如果没有任何这样的优势，欧洲羽翼未丰的晶体管将很快被其他更好的半导体器件所取代，并最终从记忆中消失，这是不可避免的。