沃尔特·布拉顿

沃尔特·布拉顿 - 简介

沃尔特·布拉顿，美国物理学家。1902年2月10日生于中国厦门市。1924年获惠特曼学院理学士学位。1926年获俄勒冈大学硕士学位，1928年获明尼苏达大学博士学位。1929年在贝尔实验室研究物理学。1955年获理学博士学位。1962～1967年任惠特曼学院客座讲师，1967年任教授。布喇顿长期从事半导体物理学研究，发现半导体自由表面上的光电效应。

1947年12月23日，布喇顿与J.巴丁和W.B.肖克莱发明点接触晶体管，因此共同获得1956年诺贝尔物理学奖。此外，他还曾研究压电现象、频率标准、磁强计和红外侦察等。美国科学院院士。曾获巴伦坦奖章、约翰·斯可特奖章。

布拉坦的少年时期是在牧场上度过的。他1924年毕业于惠特曼学院（在华盛顿州），1929年在明尼苏达大学取得博士学位。同年，他进入贝尔电话实验室，成为一名物理学研究人员。第二次世界大战期间，他在那里从事潜艇磁探测的工作。他同肖克利刚和巴丁共同获得1956年诺贝尔物理学奖，共享发明晶体管的荣誉。1967年，他接受惠特曼学院的聘请，担任了自己母校的教授。

沃尔特·布拉顿 - 晶体管发明人之一

1936年，在号称“工程师的摇篮”的美国麻省理工学里，一位不速客悄悄推开了博士生肖克利的房门。来者自报家门，说明他来自贝尔实验室，大名叫做凯利。肖克利吃了一惊，他久闻这位著名物理学家的大名。“小伙子，愿意来贝尔实验室工作吗？”凯利快人快语，毫不掩饰自己来麻省“挖人”的意图。凯利的话使肖克利怦然心动，贝尔实验室在电子学方面开展着世界上规模最大的基础研究，发明专利的注册已达近万项之多。肖克利太愿意到贝尔实验室工作了！毕业后，他毫不迟疑地打点行装，来到了新泽西。

贝尔实验室里早就有位青年人，似乎在等着肖克利的到来，他的名字叫布拉顿。布拉顿先后取得过理学硕士和哲学博士学位，从1929年起就加盟贝尔实验室。两位青年志趣相投，一见如故。肖克利专攻理论物理，布拉顿则擅长实验物理，知识结构相得益彰，大有相见恨晚的感觉。工作之余，他们也常聚在一起“侃大山”。从贝尔电话上的继电器，到弗莱明、德福雷斯特发明的真空管，凡是涉及到当时电子学中的热门话题无话不谈。直到有一天，肖克利讲到一种“矿石”时，思想碰撞的火花终于引燃了“链式反应”。

肖克利激动地对布拉顿说，“有一类晶体矿石被人们称为半导体，比如锗和硅等等，它们的导电性并不太好，但有一些很奇妙的特性，说不定哪天它们会影响到未来电子学的发展方向。”布拉顿心领神会，连连点头称是。

如果不是第二次世界大战爆发，肖克利和布拉顿或许更早就“挖掘”到什么“珍宝”，然而，战争毕竟来临了，肖克利和布莱顿先后被派往美国海军部从事军事方面的研究，刚刚开始的半导体课题遗憾地被战火中断。

1945年，战火硝烟刚刚消散，肖克利一路风尘赶回贝尔，并带来了另一位青年科学家巴丁。肖克利向布拉顿介绍说，巴丁是普林斯顿大学的数学物理博士，擅长固体物理学。巴丁的到来，对肖、布的后续研究如虎添翼，他渊博的学识和固体物理学专长，恰好弥补了肖克利和布拉顿知识结构的不足。

贝尔实验室迅速批准固体物理学研究项目上马，凯利作为决策者在课题任务书上签署了大名。 由肖克利领衔，布拉顿、巴丁等人组成的半导体小组把目光盯住了那些特殊的“矿石”。肖克利首先提出了“场效应”半导体管实验方案，然而首战失利，他们并没有发现预期的那种放大作用。

1947年的圣诞节即将来临，这天晌午时分，布拉顿和巴丁不约而同地走进实验室。在此之前，由于有巴丁固体表面态理论的指导，他俩几乎接近了成功的边缘。实验表明，只要将两根金属丝的接触点尽可能地靠近，就可能引起半导体放大电流的效果。但是，如何才能在晶体表面形成这种小于0.4毫米的触点呢？布拉顿精湛的实验技艺开始大显神威。他平稳地用刀片在三角形金箔上划了一道细痕，恰到好处地将顶角一分为二，分别接上导线，随即准确地压进锗晶体表面的选定部位。

电流表的指示清晰地显示出，他们得到了一个有放大作用的新电子器件！布拉顿和巴丁兴奋地大喊大叫起来，闻声而至的肖克利也为眼前的奇迹感到格外振奋。布拉顿在笔记本上这样写道：“电压增益100，功率增益40……实验演示日期1947年12月23日下午。”作为见证者，肖克利在这本笔记上郑重地签了名。 

沃尔特·布拉顿 - 晶体管的六十年：从摇滚时代到铪

贝尔实验室 60 年前研制出的那款晶体管。几乎我们今天使用的所有电子设备离开晶体管都将无法生存。晶体管是微处理器的主要组件，也是我们今天许多产品的必备元件，如电视、汽车、收音机、医疗设备、家用电器、计算机，甚至宇宙飞船等。

首款晶体管收音机内置有四个晶体管，英特尔研制出的第一款计算机芯片——俗称电脑的“大脑”，仅内置 2,300 个晶体管，而英特尔于 2007 年 11 月发布的最新基于 45 纳米生产工艺的芯片则包含 8.2 亿个晶体管。

晶体管——微型开关

晶体管 (微型引擎) 就像一个微型的“通断开关”，支持计算机进行信息处理，从而将我们带入数字时代。那么铸就今日辉煌成功的秘诀是什么呢每新一代晶体管都会继续变得更小、更快、更高效。英特尔工程师最近在其芯片公式和生产工艺中引入新材料，以推出基于采用英特尔革命性 45 纳米电路(如此小，以致于一个人体血细胞中可以放置 300 个这样的晶体管)的英特尔 酷睿 微体系架构的全新处理器，并将这种材料引入高 k 金属栅极晶体管公式来提供突破性的速度与能效。下一步会怎么办英特尔将继续推动技术创新，推出超乎我们想象的、能够改变我们生活、工作、娱乐和通信方式的产品。

接通或断开

1947 年最后的两个月中，晶体管的发明很可能是 20 世纪最重要的发明。当然，它对 20 世纪和 21 世纪日常生活的影响怎么估计都不为过。电子人士都亲切地称呼它“ bug”，它的首次使用是在音频信号的扩大中。也正因此，上世纪 50 年代的第一款便携式无线装置被更普遍地称为晶体管收音机。但从长远来看，晶体管最重要的应用是作为集成电路(IC)(更普遍地称为芯片)中的开关。

50 年代的第一款晶体管收音机

正是其微型开关的角色，使得芯片中可以放置数亿个晶体管，而芯片也得以成为人们日常使用的电子设备的心脏，这些电子设备有电脑、笔记本电脑和服务器、移动电话、微波、汽车，简直举不胜举。相比第一款晶体管收音机中放置 4 个晶体管，如今英特尔于 2007 年 11 月 12 日发布的全新处理器中的晶体管数量已经达到 8.2 亿个。任何芯片离开晶体管都无法工作，任何计算机离开晶体管也将无法工作，致使晶体管过去 60 年中在技术进步中发挥着不可或缺的作用。更有趣的是，实质上晶体管并不比普通的电灯开关做得工作多的多：“接通”或“断开”。晶体管的接通状态标记为 “1”，断开状态标记为“0”。大量晶体管将产生 1 和 0 供计算机用来计算、处理文本、播放 DVD 和显示图像。

晶体管的发明要归功于贝尔实验室的三位同事：John Bardeen、Walter Brattain 和 William Shockley，他们也因为此项发明于 1956 年被授予诺贝尔化学奖。晶体管的名字是由贝尔电话实验室研究员 John R. Pierce 想出的。1948 年 5 月，也就是此项发明随后六七个月的时间里，他赢得实验室关于此项发明最易记名字的投票。单词晶体管是“跨导” (导电) 和“可变电阻器”或“变阻器”的合成词。

摇滚

Bardeen 和 Brattain 于1947 年成功研制出第一款点接触晶体管(point-contact transistor)，其中晶体管中的电流沿半导体表面传输。然后，晶体管将流经它的电信号扩大。在晶体管使用的初期，其主要应用就是以比采用当时更大更笨重的真空管更有效的方式来扩大电信号。

为了加速晶体管的发展，贝尔实验室决定按许可提供晶体管技术。包括 IBM 和通用电气在内的 26 家公司购买了许可，每个许可价值 25,000 美元。但是如果晶体管技术想要成功销售，将需要吸引大众的目光。多亏晶体管收音机，这一梦想才得以实现。第一个晶体管收音机于 1954 年 10 月推出，内含 4 个晶体管。现在的便携式收音机意味着处处都可以享受音乐和获取信息——即使在有辨识能力的成年人听力范围之外。正是收音机的便携性，催生了一场新的音乐革命——摇滚。

集成电路

50 年代末，晶体管在收音机、电话和计算机中得以应用，尽管它们比真空管小很多，但是如果要生产出新一代家电设备，它们还需要继续缩小。因此，就需要第二项发明来处理单个晶体管庞大的二进制计算能力，同时又能够以日渐降低的成本进行批量生产。

1958 年，Jack Kilby (Texas Instruments) 和 Robert Noyce (Fairchild Semiconductor，随后联合创立英特尔) 发现一个集成电路 (IC 或芯片) 中可以容纳大量晶体管。相比当时各个组件必须人工组装的情形，这真是迈出巨大的一步。

45纳米工艺的四核处理器已能容纳8亿个晶体管

芯片有两个优势：较低的成本和更高的性能。这些均是指数级小型化的结果，这同样还为生产工艺注入很大的动力。 1965 年，于1968 年和 Noyce 联合创立芯片巨人英特尔的戈登·摩尔在一篇杂志文章上做出了预言，这便是后来广为人知的“摩尔定律”。摩尔定律预测，芯片上晶体管的数量每两年就会翻一番，这将促进处理能力的大幅提升。如何将更多微小的元器件高度集成在很小的面积上，就成为了影响芯片突破性进步的决定性因素。

芯片制造商 40 多年来一直保持这一指数级增长。英特尔于 1971 年推出的首款计算机芯片内包含 2,300 个晶体管。1989 年推出的 i486 具有 1,200,000 个晶体管，2000 年推出的奔腾的晶体管数量已经达到 4200 万。而英特尔最新的 45 纳米芯片则内置 8.2 亿个晶体管。

与原子共舞

摩尔定律也多次被预言要终止。根据定义，没有任何指数是永远存在的，尽管芯片制造商始终在寻找各种手段来力争“永远”。去年九月，戈登·摩尔预测，这一定律还会再持续至少 10 到 15 年——这期间，新的挑战还不断产生，可能会导致摩尔定律终止前行的脚步。但是有很长一段时间，似乎计算机世界最著名的定律难以挺进 21 世纪。

为保持摩尔定律所述的呈指数级增长，晶体管的体积大约每 24 个月就需要缩小一半。这一小型化战争使晶体管的其中一个关键部件达到极限：即栅极和通道 (当晶体管打开时电流流经该通道) 之间的绝缘层——二氧化硅 (SiO2)。每新一代芯片中该绝缘层的厚度都在不断减小——直到前两代产品，其厚度只有 1.2 纳米 也就是 5 个原子厚。英特尔工程师简直一个原子也无法再缩减了。

随着绝缘层越来越薄，便引发了漏电率问题。它就像一个滴水龙头：绝缘层开始将电流漏到晶体管。这就导致晶体管行为异常，浪费掉很多能源。结果就是：芯片用掉越来越多的电流，从而产生额外的热量。

根本限制

漏电的晶体管是半导体行业面临的最大挑战：若不是取得重大突破，他们会发现自己仍在同长期预期的根本限制作斗争。这不仅意味着摩尔定律的终止，它还有可能使过去十年的数字革命嘎然停止。每 24 个月性能就翻一番的计算机芯片也只能成为历史了。

通过加厚绝缘层，我们找到了这一危机的解决方案。只有采用不同的材料做绝缘层才能解决这个问题——包含额外原子。2007 年 1 月，英特尔宣布，四十年来首次采用铪代替二氧化硅作绝缘层，铪是一种银灰色的金属，它具有较好的电子特性，并可将漏电率降低 10%。戈登·摩尔自己也将此次突破称为“自上世纪六十年代以来晶体管技术最重要的变革”。

然而，这一突破也仅仅是该解决方案的一半。新材料原来与晶体管的另一个重要部件——栅极不兼容。更糟的是，采用新绝缘材料的第一批晶体管效率甚至比原先的晶体管还要低。答案同样在于采用一种新的栅极材料：一种独特、专有的金属组合，英特尔将其作为一个严加保守的秘密。

2007 年 11 月 12 日，英特尔推出了采用这些新材料，并基于 45 纳米生产工艺的新一代芯片。相比原先的 65 纳米生产工艺，这一更纤巧的生产工艺支持英特尔将同一表面上晶体管的数量增加近一倍，从而支持公司在增加晶体管总数或者制造更纤巧的芯片之间进行选择。由于 45 纳米晶体管比前一代晶体管更加小巧，因而其接通和断开所需的能源也降低达 30%。结果就是：英特尔的新一代 45 纳米芯片不但开创了新的性能记录，还实现了能耗降低方面的一次重大突破。

过去几十年来，晶体管和芯片以更低的成本提供了更高的处理能力。事实证明，这是实现世界经济自动化的终极引擎。然而，芯片和计算机的发展道路仍然十分漫长。多年来，计算机已发展成为人类各种命令的出色执行者。它可以打印信函，发送电子邮件，处理电子数据表中的计算杂务以及播放电影等。在未来，计算机将成为人们的顾问;它将学习我们的行为并相应地进行自我调整。这一发展方向的初步试验步骤可在以消费者为中心的网站，例如 Amazon 和 iTunes 上看到。它们根据消费者自身的购买行为，就其它购买向消费者提供了各种建议。

摩尔定律所带来的更高处理能力还能够使人类解决当前造成重大影响的各种问题：气候、(遗传性)疾病、经济的医疗护理，以及阐释遗传学的种种神秘现象等。五年前，当前研究此类问题的方式和速度还不可想象。此类应用能够改变生活并拯救生命。计算机和芯片的处理能力越强大，这些对于人类如此重要的研究领域的成果就越值得关注。摩尔定律未来十年的延续将非常令人期待。