電晶體發明人曾在實驗室受排擠,但沒人能阻止他兩獲諾獎

圖1：郵票上的巴丁

撰文 | 張天蓉（奧斯汀大學理論物理博士、科普作家）

責編 | 寧 茜 呂浩然

著名的諾貝爾獎從1901年第一次頒獎至今，已近120年的歷史。在眾多的諾貝爾物理學獎得主中，唯有一位物理學家得過兩次諾貝爾物理學獎，但這個人的名字卻鮮為人知。他叫約翰·巴丁（John Bardeen，1908 – 1991），是一位美國物理學家。

兩獲諾獎

巴丁的父親是一名教授，但是年輕的巴丁並不想像父親一樣成為學者，於是他大學時就讀於電機系而非物理系。巴丁畢業時，正值1930年美國經濟大蕭條時代，他向AT&T（American Telephone & Telegraph，美國電話電報公司）發送的工作申請沒有通過，於是便接受了海灣石油公司的聘用，並在那裡出色地工作了4年。

儘管他的初衷是偏向實用，但終歸還是因為對物理和數學的濃厚興趣放棄了工資優厚的工作，到普林斯頓大學攻讀物理博士學位。巴丁在普林斯頓師從著名的匈牙利裔理論物理學家及數學家尤金·維格納（Eugene Wigner，1902-1995），滿足了自己的求知慾。

巴丁的兩項諾獎成就，都不是物理概念意義上的重大革命，但卻引發了（或即將引發）對現代文明社會最重要的科學革命：電晶體的發明引發了計算機革命及信息革命，而革命性的超導研究如今仍然是物理界的熱門課題。

1956年尋常的一天。早上7點，巴丁正在給家人做煎雞蛋。女兒貝特茜和兒子比爾突然衝進廚房，大喊「爸爸獲得了諾貝爾獎！」原來他們剛聽到新聞報導，巴丁和過去貝爾實驗室的同事威廉·肖克利（William Shockley，1910-1989）、沃爾特·布拉頓（Walter Brattain，1902-1987）三人，共同獲得了1956年諾貝爾物理學獎。聽到這一消息，巴丁手裡的平底鍋「啪」地一聲掉到了地上，鍋裡的東西撒了一地。

「我懷疑委員會中的很多人都不確信電晶體這項技術值得這個獎，我自己也感到懷疑。」後來，在給朋友的信中，48歲的巴丁如此寫道。

這次讓巴丁感覺「意料之外」的諾獎，是9年前他們發明的世界上第一支電晶體。當時，貝爾實驗室的這三名研究人員，擔心他們的發現只是偶然成功，經過一周時間的反覆驗證後才向領導匯報並進行了演示。然而，巴丁不久後便遭到肖克利的排擠，在1951年轉到了伊利諾伊大學香檳分校任教。

那時的巴丁正在緊張地研究他的BCS超導理論，差不多已經到了最後衝刺的階段。這個理論最後讓他又贏得了1972年的諾貝爾物理學獎。

圖2：巴丁的兩次諾貝爾物理獎

巴丁的這兩次諾貝爾獎，第一次主要是技術發明，第二次是基礎理論。作為一位物理學家，固然更看重自己的理論功夫。然而，如今看來，讓巴丁榮獲第一次諾獎的那個小小的電晶體發明，對人類文明社會的巨大貢獻，怎麼誇讚都不過分。

發明電晶體

二戰勝利之後的美國，經濟迅速發展。戰爭中的許多研究成果，包括原子彈、微波、電子等技術的研發，都對工業及各個科學領域有極大的正面影響。引導了美國開展各種產業，形成一股強大的動力，一直延續至今，幾十年未衰。

前幾篇文章中描述的二戰後幾次物理會議（謝爾特島會議、波科諾會議、紐約Oldstone會議），促成了量子場論（量子電動力學）的建立和發展。與此同時，科學家們不僅關注理論，也重視其實用價值。甚至在戰爭尚未終止時，美國政府就加強了對半導體材料的研究。1945年夏天，貝爾實驗室正式制定了一個龐大的研究計劃：決定以固體物理為主要研究方向。那時候，半導體整流器已經是成熟的裝置，人們希望能用半導體製造電晶體，再組成放大器，以開拓電子技術的新領域。

1945年的十月，巴丁加入到貝爾實驗室的肖克利小組，參與研究開發製造電晶體的項目。這個小組還有另外兩位美國物理學家：課題負責人威廉·肖克利和另一位同事沃爾特·布拉頓[1]。

這三人可謂珠聯璧合：肖克利是生於倫敦的美國人，MIT（麻省理工學院）畢業研究半導體的物理博士，當時已經在PN結研究及策劃製造電晶體領域奮鬥數年，布拉頓是實驗高手，而巴丁是理論天才。

對電晶體的課題，肖克利原來有些想法，但和布拉頓一起進行的幾次實驗都失敗了。擅長理論計算的巴丁潛心研究了這個問題，發現電場無法穿越半導體的原因可能是受到金屬片屏蔽。他進而提出了固體的表面態和表面能級的概念。巴丁猜想半導體物質的表面存在著一種機制，能激發出一種可防止自身被外場貫穿的特殊狀態。這些工作涉及到半導體、導線和電解質之間的點接觸，於是小組將研究重點改為材料的表面狀態。到1946年冬，他們的研究工作向前邁進了一大步，並且也產出了幾篇論文[2,3]。

經過巴丁的再次計算，他們決定製造「點接觸電晶體」。在隨後的多次試驗中他們發現：鍺半導體上兩根金屬絲的接觸點靠得越近，就越有可能引起電流的放大。這需要在晶體表面安置兩個大約相距只有5×10-3釐米的觸點。

布拉頓有信心克服這最後一道難關，他找來一塊三角形的厚塑料版，從尖尖的頂角朝三角形的兩邊貼上了一片金箔，又小心仔細地用鋒利的刀片在頂角的金箔上劃了一道細痕，然後將三角塑料版用彈簧壓緊在半導體鍺的表面上。最後，將一分為二的金箔兩邊分別接上導線，作為發射極和集電極。加之金屬基底引出的基極，總共三條線，將它們分別接到了適當的電源和線路上。

圖3：點接觸電晶體

1947年12月16日，他們終於觀察到兩個觸點間的電壓增益為100倍的數量級，第一個電晶體就此誕生了！從圖3中可見，這個劃時代的發明——「三條腿的魔術師」原始而笨拙，顯得不是那麼漂亮。

但很快地，巴丁、布拉頓與肖克利之間，發生了一些不愉快的糾葛。一個月之後，肖克利自己又發明了一種全新的、能穩定工作的「P-N結型電晶體」。總之，電晶體的發明成為人類微電子革命的先聲，也使得三人後來共同獲得了1956年諾貝爾物理學獎。

但在肖克利對兩人研究工作無理的限制和打壓下，三人分道揚鑣：巴丁1951年接受了伊利諾伊大學香檳分校的教職，轉向他很早就想做的超導研究。布拉頓留守貝爾實驗室，但轉到了另外的部門。再後來，肖克利自己到加州創建矽谷，招聘人才，在矽谷點燃了電晶體發明的人類文明之火！

BCS超導理論

從1950年開始，巴丁開始考慮超導問題，攀向另一個科學高峰。超導現象指的是一些導體的電阻在溫度下降接近絕對零度時會突然消失成為沒有電阻的超導體的奇特現象。

眾所周知，材料在導電過程中會消耗能量，表現為材料的電阻。電阻越大，消耗能量越多。一般而言，電阻隨著環境溫度的降低而減小。1911年，荷蘭物理學家海克·昂內斯（Heike Onnes，1853-1926）發現水銀樣品以及其他的一些金屬，在低溫（4K左右）時電阻消失等於0，這被稱為超導現象。昂內斯因此獲得了1913 年的諾貝爾物理學獎。

圖4：超導基本特性

超導的應用領域包括：醫院裡的核磁共振成像、加速器、磁懸浮以及核聚變研究等。低溫超導的第一個理論是1935年弗裡茨·倫敦（Fritz London，1900-1954）和海因茨·倫敦（Heinz London，1907-1970）兩兄弟提出的倫敦方程。後來，前蘇聯物理學家朗道（Lev Davidovich Landau，1908-1968）和金茨堡（Vitaly Lazarevich Ginzburg，1916-2009），以朗道的二級相變（Second order phase transition）和對稱破缺理論（Broken-symmetry）為基礎，導出了著名的金茨堡-朗道方程（Ginzburg–Landau theory），成功地計算出了超導體的許多特性[4]。朗道因車禍1962年在病房中被授予諾貝爾物理學獎；之後，金茨堡於87歲高齡被授予2003年的諾貝爾物理學獎。

巴丁的研究偏向超導現象的微觀物理機制。到了伊利諾伊大學香檳分校幾年後，巴丁和利昂·庫珀（Leon Cooper，1930-）、約翰·施裡弗（John Robert Schrieffer，1931-2019）三人提出了以他們名字第一個字母命名的BCS理論[5]，解釋了超導現象的微觀機理，之後這個理論被稱為是超導現象的常規解釋。BCS理論認為：靠晶格振動，即聲子的耦合，使自旋和動量都相反的兩個電子組成動量為零、總自旋為零的庫珀對。電子是費米子，而兩個電子組成的庫珀對則可以是玻色子，低溫下能形成玻色-愛因斯坦凝聚（Bose–Einstein condensate）而集聚成超導大電流。學界認為，BSC理論基本解釋了低溫下的超導現象，三位學者也因此而獲得1972年的諾貝爾物理學獎。

電子間的直接相互作用是相互排斥的庫侖力。如果僅僅存在庫侖力直接作用的話，電子不能形成配對。但BCS理論認為，電子間還存在以晶格振動（聲子）為媒介的間接相互作用。電子聲子間的這種相互作用在滿足一定條件時，可以是相互吸引的，正是這種吸引作用導致了「庫珀對」的產生。在很低的溫度下，庫珀對的結合能可能高於晶格原子振動的能量。這樣，電子對將不會和晶格發生能量交換，也就沒有了電阻，形成所謂的「超導」。

巴丁、庫珀和施裡弗建立的BCS理論，是解釋常規超導體的超導電性的微觀理論，所以也常意譯為超導的微觀理論[6]。

參考資料：

[1] 張天蓉.《電子，電子!誰來拯救摩爾定律》[M].北京:清華大學出版社，pp.41-60, 2014年11月

[2] Michael Riordan and Lillian Hoddeson. "Crystal FIre". [M]. W. W. Norton and Co. 1997.

[3] John Bardeen. [OL] http://www.chiphistory.org/exhibits/ex_john_bardeen_transitor_physics/john_bardeen_section2.pdf

[4] Ginzburg V L, Landau L D Zh. Eksp. Teor.Fiz. 20 1064 (1950)

[Translated into English, in Landau L D Collected Papers (Oxford: Pergamon Press, 1965) p. 546]

[5] Bardeen, J.; Cooper, L. N.; Schrieffer, J. R. (April 1957). "Microscopic Theory of Superconductivity". Physical Review. 106 (1): 162–164.

[6] Bardeen, J.; Cooper, L. N.; Schrieffer, J. R. (December 1957). "Theory of Superconductivity". Physical Review. 108 (5): 1175–1204.

來源：賽先生

編輯：Dannis