沃爾特·布拉頓

沃爾特·布拉頓，美國物理學家。1902年2月10日生於中國廈門市（父母都是美國人，後來到中國並生下他）。1924年獲惠特曼學院理學士學位。1926年獲俄勒岡大學碩士學位，1928年獲明尼蘇達大學博士學位。1929年在貝爾實驗室研究物理學。1955年獲理學博士學位。1962～1967年任惠特曼學院客座講師，1967年任教授。布喇頓長期從事半導體物理學研究，發現半導體自由表面上的光電效應。

1947年12月23日，布喇頓與J.巴丁和W.B.肖克萊發明點接觸晶體管，因此共同獲得1956年諾貝爾物理學獎。此外，他還曾研究壓電現象、頻率標準、磁強計和紅外偵察等。美國科學院院士。曾獲巴倫坦獎章、約翰·斯可特獎章。

布拉坦的少年時期是在牧場上度過的。他1924年畢業於惠特曼學院（在華盛頓州），1929年在明尼蘇達大學取得博士學位。同年，他進入貝爾電話實驗室，成為一名物理學研究人員。第二次世界大戰期間，他在那裏從事潛艇磁探測的工作。他同肖克利剛和巴丁共同獲得1956年諾貝爾物理學獎，共享發明晶體管的榮譽。1967年，他接受惠特曼學院的聘請，擔任了自己母校的教授。

1936年，在號稱“工程師的搖籃”的美國麻省理工學院裏，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，説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家的大名。“小夥子，願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方面開展着世界上規模最大的基礎研究，發明專利的註冊已達近萬項之多。肖克利太願意到貝爾實驗室工作了！畢業後，他毫不遲疑地打點行裝，來到了新澤西。

貝爾實驗室裏早就有位青年人，似乎在等着肖克利的到來，他的名字叫布拉頓。布拉頓先後取得過理學碩士和哲學博士學位，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，知識結構相得益彰，大有相見恨晚的感覺。工作之餘，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、德福雷斯特發明的真空管，凡是涉及到當時電子學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，思想碰撞的火花終於引燃了“鏈式反應”。

肖克利激動地對布拉頓説，“有一類晶體礦石被人們稱為半導體，比如鍺和硅等等，它們的導電性並不太好，但有一些很奇妙的特性，説不定哪天它們會影響到未來電子學的發展方向。”布拉頓心領神會，連連點頭稱是。

如果不是第二次世界大戰爆發，肖克利和布拉頓或許更早就“挖掘”到什麼“珍寶”，然而，戰爭畢竟來臨了，肖克利和布萊頓先後被派往美國海軍部從事軍事方面的研究，剛剛開始的半導體課題遺憾地被戰火中斷。

1945年，戰火硝煙剛剛消散，肖克利一路風塵趕回貝爾，並帶來了另一位青年科學家巴丁。肖克利向布拉頓介紹説，巴丁是普林斯頓大學的數學物理博士，擅長固體物理學。巴丁的到來，對肖、布的後續研究如虎添翼，他淵博的學識和固體物理學專長，恰好彌補了肖克利和布拉頓知識結構的不足。

貝爾實驗室迅速批准固體物理學研究項目上馬，凱利作為決策者在課題任務書上籤署了大名。由肖克利領銜，布拉頓、巴丁等人組成的半導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”半導體管實驗方案，然而首戰失利，他們並沒有發現預期的那種放大作用。

1947年的聖誕節即將來臨，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，由於有巴丁固體表面態理論的指導，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儘可能地靠近，就可能引起半導體放大電流的效果。但是，如何才能在晶體表面形成這種小於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，分別接上導線，隨即準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蹟感到格外振奮。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。”作為見證者，肖克利在這本筆記上鄭重地簽了名。

貝爾實驗室60年前研製出的那款晶體管。幾乎我們今天使用的所有電子設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品的必備元件，如電視、汽車、收音機、醫療設備、家用電器、計算機，甚至宇宙飛船等。

首款晶體管收音機內置有四個晶體管，英特爾研製出的第一款計算機芯片——俗稱電腦的“大腦”，僅內置2,300個晶體管，而英特爾於2007年11月發佈的最新基於45納米生產工藝的芯片則包含8.2億個晶體管。

晶體管——微型開關

晶體管 (微型引擎) 就像一個微型的“通斷開關”，支持計算機進行信息處理，從而將我們帶入數字時代。那麼鑄就今日輝煌成功的秘訣是什麼呢?每新一代晶體管都會繼續變得更小、更快、更高效。英特爾工程師最近在其芯片公式和生產工藝中引入新材料，以推出基於採用英特爾革命性45 納米電路(如此小，以致於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™微體系架構的全新處理器，並將這種材料引入高k金屬柵極晶體管公式來提供突破性的速度與能效。下一步會怎麼辦?英特爾將繼續推動技術創新，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品。

接通或斷開

1947年最後的兩個月中，晶體管的發明很可能是20世紀最重要的發明。當然，它對20世紀和21世紀日常生活的影響怎麼估計都不為過。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，晶體管最重要的應用是作為集成電路(IC)(更普遍地稱為芯片)中的開關。

50年代的第一款晶體管收音機

正是其微型開關的角色，使得芯片中可以放置數億個晶體管，而芯片也得以成為人們日常使用的電子設備的心臟，這些電子設備有電腦、筆記本電腦和服務器、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，如今英特爾於2007年11月12日發佈的全新處理器中的晶體管數量已經達到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年中在技術進步中發揮着不可或缺的作用。更有趣的是，實質上晶體管並不比普通的電燈開關做得工作多的多：“接通”或“斷開”。晶體管的接通狀態標記為“1”，斷開狀態標記為“0”。大量晶體管將產生1和0供計算機用來計算、處理文本、播放 DVD 和顯示圖像。

晶體管的發明要歸功於貝爾實驗室的三位同事：JohnBardeen、WalterBrattain和WilliamShockley，他們也因為此項發明於1956年被授予諾貝爾物理獎 ^[2]  。晶體管的名字是由貝爾電話實驗室研究員JohnR.Pierce想出的。1948年5月，也就是此項發明隨後六七個月的時間裏，他贏得實驗室關於此項發明最易記名字的投票。單詞晶體管是“跨導” (導電) 和“可變電阻器”或“變阻器”的合成詞。

搖滾

Bardeen和Brattain於1947年成功研製出第一款點接觸晶體管(point-contacttransistor)，其中晶體管中的電流沿半導體表面傳輸。然後，晶體管將流經它的電信號擴大。在晶體管使用的初期，其主要應用就是以比採用當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展，貝爾實驗室決定按許可提供晶體管技術。包括IBM和通用電氣在內的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。第一個晶體管收音機於1954年10月推出，內含4個晶體管。現在的便攜式收音機意味着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範圍之外。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用，儘管它們比真空管小很多，但是如果要生產出新一代家電設備，它們還需要繼續縮小。因此，就需要第二項發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。

1958年，JackKilby (TexasInstruments) 和RobertNoyce (FairchildSemiconductor，隨後聯合創立英特爾) 發現一個集成電路 (IC或芯片) 中可以容納大量晶體管。相比當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

芯片有兩個優勢：較低的成本和更高的性能。這些均是指數級小型化的結果，這同樣還為生產工藝注入很大的動力。1965年，於1968年和Noyce聯合創立芯片巨人英特爾的戈登·摩爾在一篇雜誌文章上做出了預言，這便是後來廣為人知的“摩爾定律”。摩爾定律預測，芯片上晶體管的數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。

芯片製造商40多年來一直保持這一指數級增長。英特爾於1971年推出的首款計算機芯片內包含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量已經達到4200萬。而英特爾最新的45納米芯片則內置8.2億個晶體管。

與原子共舞

摩爾定律也多次被預言要終止。根據定義，沒有任何指數是永遠存在的，儘管芯片製造商始終在尋找各種手段來力爭“永遠”。去年九月，戈登·摩爾預測，這一定律還會再持續至少10到15年——這期間，新的挑戰還不斷產生，可能會導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。

為保持摩爾定律所述的呈指數級增長，晶體管的體積大約每24個月就需要縮小一半。這一小型化戰爭使晶體管的其中一個關鍵部件達到極限：即柵極和通道 (當晶體管打開時電流流經該通道) 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。

隨着絕緣層越來越薄，便引發了漏電率問題。它就像一個滴水龍頭：絕緣層開始將電流漏到晶體管。這就導致晶體管行為異常，浪費掉很多能源。結果就是：芯片用掉越來越多的電流，從而產生額外的熱量。

根本限制

漏電的晶體管是半導體行業面臨的最大挑戰：若不是取得重大突破，他們會發現自己仍在同長期預期的根本限制作鬥爭。這不僅意味着摩爾定律的終止，它還有可能使過去十年的數字革命嘎然停止。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。只有採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，英特爾宣佈，四十年來首次採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，並可將漏電率降低10%。戈登·摩爾自己也將此次突破稱為“自上世紀六十年代以來晶體管技術最重要的變革”。

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，採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。答案同樣在於採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加保守的秘密。

2007年11月12日，英特爾推出了採用這些新材料，並基於45納米生產工藝的新一代芯片。相比原先的65納米生產工藝，這一更纖巧的生產工藝支持英特爾將同一表面上晶體管的數量增加近一倍，從而支持公司在增加晶體管總數或者製造更纖巧的芯片之間進行選擇。由於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%。結果就是：英特爾的新一代45納米芯片不但開創了新的性能記錄，還實現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，這是實現世界經濟自動化的終極引擎。然而，芯片和計算機的發展道路仍然十分漫長。多年來，計算機已發展成為人類各種命令的出色執行者。它可以打印信函，發送電子郵件，處理電子數據表中的計算雜務以及播放電影等。在未來，計算機將成為人們的顧問;它將學習我們的行為並相應地進行自我調整。這一發展方向的初步試驗步驟可在以消費者為中心的網站，例如Amazon和iTunes上看到。它們根據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前造成重大影響的各種問題：氣候、(遺傳性)疾病、經濟的醫療護理，以及闡釋遺傳學的種種神秘現象等。五年前，當前研究此類問題的方式和速度還不可想象。此類應用能夠改變生活並拯救生命。計算機和芯片的處理能力越強大，這些對於人類如此重要的研究領域的成果就越值得關注。摩爾定律未來十年的延續將非常令人期待。