物理群星
沃尔特·布拉顿 肖像

图:AT&T 贝尔实验室,1948(三人合影裁切)/ Wikimedia Commons / 公有领域

沃尔特·布拉顿

Walter Houser Brattain

1902–1987 · 生于中国厦门(美国籍父母) · 美国

凝聚态

生在厦门、长在华盛顿州牧场的实验物理学家,把巴丁的理论一次次接成电路——1947 年 12 月 23 日下午通电的那台装置,是他亲手接的

「得了吧,肖克利,这里面的荣耀够所有人分的。」

—— 1948 年 1 月肖克利提出要独占晶体管专利时,布拉顿的当面回答;转引自美国公共电视网《晶体管》专题

晶体管的故事里,肖克利是提方向的人,巴丁是解释「为什么不行」的人,而布拉顿是那个把想法接成真东西、并且真的让它响起来的人。

他的出身在这群人里相当特别:1902 年生在中国厦门——父母是在当地教书的美国人——一岁多回美国,九岁起在华盛顿州东部的牧场长大。他后来说,牧场上的活儿让他不怕动手,也让他明白一件事:设备坏了,抱怨没用,得自己修。

十八年的准备

1929 年他进贝尔实验室,第一个题目是氧化亚铜整流器。那是当时最实用、也最说不清楚的器件之一:它能整流,但没人讲得出电流到底怎么走。他在这个题目上待了十几年,练出了一手做半导体表面实验的本事——那年头真空、清洁、接触电阻全靠手上的经验。

战时他去哥伦比亚大学做潜艇的磁探测。1945 年回到贝尔实验室时,肖克利刚组起固体物理小组,目标明确:做一个固体的放大器,替掉真空管。

头两年全是失败。肖克利设想的场效应管测出的变化只有预期的百分之几。转折点是巴丁的诊断:半导体表面有一层能俘获电子的表面态,把外加电场屏蔽掉了。

诊断只是话,要把它变成数字得靠实验。接下来的一年多,布拉顿与巴丁几乎天天在一起:往锗表面照光,测表面电位随光强、温度、电解液的变化,一点点把这层看不见的东西量了出来。巴丁常坐在他身后的凳子上,一边看一边算。

十一月到十二月

1947 年 11 月起,他们开始换招:既然表面挡道,就用电解液、用镀金、用各种办法把电流直接送到表面以下。

12 月 16 日,布拉顿做出了那个关键的结构:一小块聚苯乙烯楔子上贴一层金箔,用剃刀片把金箔划开一道极细的缝,压在锗片上——两个相距不到零点一毫米的触点,一个注入电流,另一个收。通电,输出电压比输入大。

12 月 23 日,他们向实验室管理层演示:接上话筒和耳机,说话的声音被放大了出来。实验记录本上那天的记录,后来成了电子工业的起点文件之一。

名字是半年后才有的:同事皮尔斯用「跨导」与「变阻器」拼出 transistor,实验室内部投票通过。

荣耀够所有人分

1948 年初,肖克利把两人分别叫进办公室,说他打算成为这项专利唯一的发明人。布拉顿的回答被反复引用:得了吧,肖克利,这里面的荣耀够所有人分的。

专利最后署的是巴丁与布拉顿。肖克利转身用一个月想出了结型晶体管,那才是能量产的那一支。三个人的关系没有恢复。1956 年在斯德哥尔摩,三人同台领奖;回来之后,布拉顿要求不再在肖克利手下工作,转去做半导体表面的基础研究——那正是他做了一辈子、也最在行的题目。

回牧场那边去

晚年他回到母校惠特曼学院讲课,那是一所位于华盛顿州瓦拉瓦拉的小文理学院。他带本科生做实验,教基础物理,一直到 1976 年。有人问他为什么不去大研究所,他的回答大意是:他喜欢跟刚入门的人打交道,而且他本来就是从那样一所小学院出来的。

1987 年 10 月 13 日,他在西雅图因阿尔茨海默病去世,八十五岁。

今天世界上每年生产的晶体管数以万万亿计,没有一个是点接触管。但那台在 1947 年 12 月 23 日下午被接通的装置,是所有这些东西的祖先,而接线的是他。

代表方程

点接触管为什么能放大

α=∂IC∂IE∣VC ≳ 1\alpha = \left.\frac{\partial I_C}{\partial I_E}\right|_{V_C} \ \gtrsim\ 1

发射极触点往锗片表面下注入少数载流子,它们扩散过不到零点一毫米的距离,被另一根触点(集电极)收走。收走的电流与注入的电流之比就是 α\alpha。点接触管的 α\alpha 略大于 1——集电极附近的强电场还会额外撞出载流子。α\alpha 大于 1 意味着接上负载后电压与功率都能放大,1947 年 12 月 23 日那天示波器上看到的就是这件事。

用一束光量出表面态

V表面 → 光照  ΔV ⇒ 表面态存在且带电V_{\text{表面}} \ \xrightarrow{\ \text{光照}\ }\ \Delta V \ \Rightarrow\ \text{表面态存在且带电}

1947 年他与巴丁做的关键实验:往锗表面照一束光,激发出的载流子会改变表面上的电位差。测这个「表面光电势」随光强、温度怎么变,就能反推表面态的密度与能级位置——这是当时唯一能把「看不见的表面层」变成数字的办法。诊断清楚了,才知道该怎么绕过它。

伟大发现