「知識分享」發(fā)明個晶體管，居然得了諾貝爾獎

隨著芯片制程的不斷提升，現(xiàn)在集成度最高的芯片中，可以集成100多億個晶體管。然而，第1個晶體管是怎么誕生的呢，今天的主角就是這位晶體管的發(fā)明人：約翰·巴丁( John Bardeen)

約翰·巴丁是歷史上最重要的工程師之一，你可能從未聽說過，他是少數(shù)幾個兩次獲得諾貝爾獎的人之一，也是第一位獲得兩次物理學獎的科學家。

巴丁第一次獲得諾貝爾獎是在1956年，他與同事威廉·肖克利和沃爾特·布拉坦分享了這個獎，因為他發(fā)明了晶體管。

貝爾實驗室的科學家約翰·巴丁、威廉·肖克利和沃爾特·布拉坦。圖片使用由諾基亞貝爾實驗室

1972年，他又一次被授予超導理論獎，與利昂庫珀和約翰·施里弗分享了這一獎項-電荷在沒有阻力的情況下通過材料的現(xiàn)象。

巴丁的工作可以說是電氣工程領(lǐng)域的一場革命，為我們幾十年來所看到的戲劇性的技術(shù)進步鋪平了道路，甚至在今天仍然處于其核心地位。

1908年5月23日，巴丁出生于威斯康星州，是解剖學教授查爾斯·巴丁的兒子，他成為威斯康星大學醫(yī)學院的第一任院長。它來自同一個機構(gòu)巴丁于1928年獲得電氣工程學士學位，一年后獲得理學碩士學位 .

在1928年20歲獲得學士學位（在芝加哥工作一年之后），巴丁就讀于麥迪遜大學高中，1923年15歲畢業(yè)。作為一個公認的天才學生，有人說他本可以提前幾年畢業(yè)，但由于母親身體不好和去世等原因，他推遲了畢業(yè)。

巴丁最終在1930年至1933年間為海灣研究實驗室工作，該實驗室是匹茲堡海灣石油公司的研究單位。他是一名地球物理學家，致力于研究解釋地磁和重力測量的方法。然而，這項工作沒能讓他保持興趣，他最終放棄了這項工作，去普林斯頓大學攻讀數(shù)學和物理的研究生課程。

在尤金·維格納（Eugene Wigner）的指導下，巴丁寫了一篇關(guān)于固體物理學問題的論文。在完成這項工作之前，他獲得了哈佛大學研究員協(xié)會的一個初級研究員的職位，在那里他在1935年到1938年間花了三年時間研究金屬的導電性和內(nèi)聚性問題。他在1936年獲得數(shù)學物理博士學位。

在戰(zhàn)爭期間的一段時間里，巴丁領(lǐng)導著一個小組，在海軍條例實驗室研究磁性水雷和魚雷以及水雷和魚雷對抗措施。

戰(zhàn)后，巴丁加入貝爾電話實驗室的固態(tài)物理小組. 當時，當人們打長途電話時，攜帶他們聲音的電信號如果在旅途中沒有被放大，就會變成靜電。

真空管是20世紀早期發(fā)明的，它通過放大、減少或阻斷電流，部分地解決了這個問題。雖然這些使第一臺收音機和電視機成為可能，但它們消耗了大量的電力，需要時間來預熱，而且會變得非常熱。他們也有崩潰的傾向。

貝爾實驗室主任馬文·凱利認為，一種新的、更便宜、更高效的放大器可以用半導體晶體制造出來。雖然當時人們對它們知之甚少，但它們耐人尋味的特性吸引了包括巴丁在內(nèi)的全世界科學家的興趣。

在貝爾實驗室威廉·肖克利（William Shockley）手下工作期間，巴丁的任務(wù)是與沃爾特·布里坦（Walter Brittain）一起研究半導體的電子導電特性。具體來說，他被要求找出肖克利設(shè)計的使用硅晶體的放大器為什么不能工作。

圖片來自諾基亞貝爾實驗室

第一個組裝好的晶體管被稱為“點接觸晶體管”，當兩個尖頭金屬接觸被應(yīng)用到半導體表面時，它產(chǎn)生了放大效應(yīng)。

利用微積分和量子力學的知識，巴丁發(fā)現(xiàn)硅晶體表面的電子可以形成電子屏。他的計算證明，正是這些表面態(tài)阻止了半導體作為放大器的工作。

決心找到一個解決辦法，該小組來到并試驗了幾個設(shè)計。他們放棄了肖克利最初的設(shè)計，開發(fā)了一種基于塑料、黃金和鍺的半導體放大器的數(shù)學模型。他們后來稱之為晶體管 .

20世紀50年代，巴丁繼續(xù)進行他在20世紀30年代開始的關(guān)于超導性的研究，因為他獲得諾貝爾獎的研究已經(jīng)從理論上解釋了為什么材料在接近絕對零度的溫度下電阻會消失。

這個BCS超導理論（巴丁·庫珀·施里弗）它于1957年提出，并成為后來所有關(guān)于這個問題的理論著作的基礎(chǔ)。

巴丁后來在1951年至1975年間在伊利諾伊大學香檳分校擔任電氣工程和物理學教授。他、庫珀和施里弗因共同發(fā)展的超導理論而獲得1972年諾貝爾物理學獎。

沃爾特·布拉坦的筆記本記錄了1947年晶體管效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)時的記錄。圖片來自諾基亞貝爾實驗室

巴爾丁于1991年死于心臟病，享年82歲。他的妻子、三個孩子和六個孫子孫女都活了下來。

今天，從手機到電視、收音機、汽車、醫(yī)療設(shè)備、數(shù)據(jù)中心、火車、飛機和無數(shù)其他應(yīng)用程序，我們所依賴的每一個電子設(shè)備都有晶體管。此外，超導電性理論為電氣工程甚至核物理中許多持久的原理提供了基礎(chǔ)。