沃爾特·布拉頓 - 簡介

沃爾特·布拉頓，美國物理學(xué)家。1902年2月10日生于中國廈門市。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年獲明尼蘇達大學(xué)博士學(xué)位。1929年在貝爾實驗室研究物理學(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)明點接觸晶體管，因此共同獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎。此外，他還曾研究壓電現(xiàn)象、頻率標(biāo)準(zhǔn)、磁強計和紅外偵察等。美國科學(xué)院院士。曾獲巴倫坦獎?wù)�、約翰·斯可特獎?wù)隆?/p>

布拉坦的少年時期是在牧場上度過的。他1924年畢業(yè)于惠特曼學(xué)院（在華盛頓州），1929年在明尼蘇達大學(xué)取得博士學(xué)位。同年，他進入貝爾電話實驗室，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，共享發(fā)明晶體管的榮譽。1967年，他接受惠特曼學(xué)院的聘請，擔(dān)任了自己母校的教授。

沃爾特·布拉頓 - 晶體管發(fā)明人之一

1936年，在號稱“工程師的搖籃”的美國麻省理工學(xué)里，一位不速客悄悄推開了博士生肖克利的房門。來者自報家門，說明他來自貝爾實驗室，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。“小伙子，愿意來貝爾實驗室工作嗎？”凱利快人快語，毫不掩飾自己來麻省“挖人”的意圖。凱利的話使肖克利怦然心動，貝爾實驗室在電子學(xué)方面開展著世界上規(guī)模最大的基礎(chǔ)研究，發(fā)明專利的注冊已達近萬項之多。肖克利太愿意到貝爾實驗室工作了！畢業(yè)后，他毫不遲疑地打點行裝，來到了新澤西。

貝爾實驗室里早就有位青年人，似乎在等著肖克利的到來，他的名字叫布拉頓。布拉頓先后取得過理學(xué)碩士和哲學(xué)博士學(xué)位，從1929年起就加盟貝爾實驗室。兩位青年志趣相投，一見如故。肖克利專攻理論物理，布拉頓則擅長實驗物理，知識結(jié)構(gòu)相得益彰，大有相見恨晚的感覺。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)時電子學(xué)中的熱門話題無話不談。直到有一天，肖克利講到一種“礦石”時，思想碰撞的火花終于引燃了“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”。

肖克利激動地對布拉頓說，“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，說不定哪天它們會影響到未來電子學(xué)的發(fā)展方向�！辈祭�頓心領(lǐng)神會，連連點頭稱是。

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)爭畢竟來臨了，肖克利和布萊頓先后被派往美國海軍部從事軍事方面的研究，剛剛開始的半導(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，并帶來了另一位青年科學(xué)家巴丁。肖克利向布拉頓介紹說，巴丁是普林斯頓大學(xué)的數(shù)學(xué)物理博士，擅長固體物理學(xué)。巴丁的到來，對肖、布的后續(xù)研究如虎添翼，他淵博的學(xué)識和固體物理學(xué)專長，恰好彌補了肖克利和布拉頓知識結(jié)構(gòu)的不足。

貝爾實驗室迅速批準(zhǔn)固體物理學(xué)研究項目上馬，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“場效應(yīng)”半導(dǎo)體管實驗方案，然而首戰(zhàn)失利，他們并沒有發(fā)現(xiàn)預(yù)期的那種放大作用。

1947年的圣誕節(jié)即將來臨，這天晌午時分，布拉頓和巴丁不約而同地走進實驗室。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。實驗表明，只要將兩根金屬絲的接觸點盡可能地靠近，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毫米的觸點呢？布拉頓精湛的實驗技藝開始大顯神威。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，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……實驗演示日期1947年12月23日下午�！弊鳛橐娮C者，肖克利在這本筆記上鄭重地簽了名。 

沃爾特·布拉頓 - 晶體管的六十年：從搖滾時代到鉿

貝爾實驗室 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)備離開晶體管都將無法生存。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、醫(yī)療設(shè)備、家用電器、計算機，甚至宇宙飛船等。

首款晶體管收音機內(nèi)置有四個晶體管，英特爾研制出的第一款計算機芯片——俗稱電腦的“大腦”，僅內(nèi)置 2,300 個晶體管，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 億個晶體管。

晶體管——微型開關(guān)

晶體管 (微型引擎) 就像一個微型的“通斷開關(guān)”，支持計算機進行信息處理，從而將我們帶入數(shù)字時代。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，以致于一個人體血細胞中可以放置 300 個這樣的晶體管)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提供突破性的速度與能效。下一步會怎么辦?英特爾將繼續(xù)推動技術(shù)創(chuàng)新，推出超乎我們想象的、能夠改變我們生活、工作、娛樂和通信方式的產(chǎn)品。

接通或斷開

1947 年最后的兩個月中，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 20 世紀(jì)和 21 世紀(jì)日常生活的影響怎么估計都不為過。電子人士都親切地稱呼它“ bug”，它的首次使用是在音頻信號的擴大中。也正因此，上世紀(jì) 50 年代的第一款便攜式無線裝置被更普遍地稱為晶體管收音機。但從長遠來看，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)中的開關(guān)。

50 年代的第一款晶體管收音機

正是其微型開關(guān)的角色，使得芯片中可以放置數(shù)億個晶體管，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、移動電話、微波、汽車，簡直舉不勝舉。相比第一款晶體管收音機中放置 4 個晶體管，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)達到 8.2 億個。任何芯片離開晶體管都無法工作，任何計算機離開晶體管也將無法工作，致使晶體管過去 60 年中在技術(shù)進步中發(fā)揮著不可或缺的作用。更有趣的是，實質(zhì)上晶體管并不比普通的電燈開關(guān)做得工作多的多：“接通”或“斷開”。晶體管的接通狀態(tài)標(biāo)記為 “1”，斷開狀態(tài)標(biāo)記為“0”。大量晶體管將產(chǎn)生 1 和 0 供計算機用來計算、處理文本、播放 DVD 和顯示圖像。

晶體管的發(fā)明要歸功于貝爾實驗室的三位同事：John Bardeen、Walter Brattain 和 William Shockley，他們也因為此項發(fā)明于 1956 年被授予諾貝爾化學(xué)獎。晶體管的名字是由貝爾電話實驗室研究員 John R. Pierce 想出的。1948 年 5 月，也就是此項發(fā)明隨后六七個月的時間里，他贏得實驗室關(guān)于此項發(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接觸晶體管(point-contact transistor)，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)它的電信號擴大。在晶體管使用的初期，其主要應(yīng)用就是以比采用當(dāng)時更大更笨重的真空管更有效的方式來擴大電信號。

為了加速晶體管的發(fā)展，貝爾實驗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 家公司購買了許可，每個許可價值 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，這一夢想才得以實現(xiàn)。第一個晶體管收音機于 1954 年 10 月推出，內(nèi)含 4 個晶體管�，F(xiàn)在的便攜式收音機意味著處處都可以享受音樂和獲取信息——即使在有辨識能力的成年人聽力范圍之外。正是收音機的便攜性，催生了一場新的音樂革命——搖滾。

集成電路

50 年代末，晶體管在收音機、電話和計算機中得以應(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，就需要第二項發(fā)明來處理單個晶體管龐大的二進制計算能力，同時又能夠以日漸降低的成本進行批量生產(chǎn)。

1958 年，Jack Kilby (Texas Instruments) 和 Robert Noyce (Fairchild Semiconductor，隨后聯(lián)合創(chuàng)立英特爾) 發(fā)現(xiàn)一個集成電路 (IC 或芯片) 中可以容納大量晶體管。相比當(dāng)時各個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8億個晶體管

芯片有兩個優(yōu)勢：較低的成本和更高的性能。這些均是指數(shù)級小型化的結(jié)果，這同樣還為生產(chǎn)工藝注入很大的動力。 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，這便是后來廣為人知的“摩爾定律”。摩爾定律預(yù)測，芯片上晶體管的數(shù)量每兩年就會翻一番，這將促進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步的決定性因素。

芯片制造商 40 多年來一直保持這一指數(shù)級增長。英特爾于 1971 年推出的首款計算機芯片內(nèi)包含 2,300 個晶體管。1989 年推出的 i486 具有 1,200,000 個晶體管，2000 年推出的奔騰的晶體管數(shù)量已經(jīng)達到 4200 萬。而英特爾最新的 45 納米芯片則內(nèi)置 8.2 億個晶體管。

與原子共舞

摩爾定律也多次被預(yù)言要終止。根據(jù)定義，沒有任何指數(shù)是永遠存在的，盡管芯片制造商始終在尋找各種手段來力爭“永遠”。去年九月，戈登·摩爾預(yù)測，這一定律還會再持續(xù)至少 10 到 15 年——這期間，新的挑戰(zhàn)還不斷產(chǎn)生，可能會導(dǎo)致摩爾定律終止前行的腳步。但是有很長一段時間，似乎計算機世界最著名的定律難以挺進 21 世紀(jì)。

為保持摩爾定律所述的呈指數(shù)級增長，晶體管的體積大約每 24 個月就需要縮小一半。這一小型化戰(zhàn)爭使晶體管的其中一個關(guān)鍵部件達到極限：即柵極和通道 (當(dāng)晶體管打開時電流流經(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 個原子厚。英特爾工程師簡直一個原子也無法再縮減了。

隨著絕緣層越來越薄，便引發(fā)了漏電率問題。它就像一個滴水龍頭：絕緣層開始將電流漏到晶體管。這就導(dǎo)致晶體管行為異常，浪費掉很多能源。結(jié)果就是：芯片用掉越來越多的電流，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，他們會發(fā)現(xiàn)自己仍在同長期預(yù)期的根本限制作斗爭。這不僅意味著摩爾定律的終止，它還有可能使過去十年的數(shù)字革命嘎然停止。每 24 個月性能就翻一番的計算機芯片也只能成為歷史了。

通過加厚絕緣層，我們找到了這一危機的解決方案。只有采用不同的材料做絕緣層才能解決這個問題——包含額外原子。2007 年 1 月，英特爾宣布，四十年來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。新材料原來與晶體管的另一個重要部件——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：一種獨特、專有的金屬組合，英特爾將其作為一個嚴(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，因而其接通和斷開所需的能源也降低達 30%。結(jié)果就是：英特爾的新一代 45 納米芯片不但開創(chuàng)了新的性能記錄，還實現(xiàn)了能耗降低方面的一次重大突破。

過去幾十年來，晶體管和芯片以更低的成本提供了更高的處理能力。事實證明，這是實現(xiàn)世界經(jīng)濟自動化的終極引擎。然而，芯片和計算機的發(fā)展道路仍然十分漫長。多年來，計算機已發(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)表中的計算雜務(wù)以及播放電影等。在未來，計算機將成為人們的顧問;它將學(xué)習(xí)我們的行為并相應(yīng)地進行自我調(diào)整。這一發(fā)展方向的初步試驗步驟可在以消費者為中心的網(wǎng)站，例如 Amazon 和 iTunes 上看到。它們根據(jù)消費者自身的購買行為，就其它購買向消費者提供了各種建議。

摩爾定律所帶來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題：氣候、(遺傳性)疾病、經(jīng)濟的醫(yī)療護理，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。計算機和芯片的處理能力越強大，這些對于人類如此重要的研究領(lǐng)域的成果就越值得關(guān)注。摩爾定律未來十年的延續(xù)將非常令人期待。