项目二思政案例：勇于探索追求真理-晶体管发展史

勇于探索，追求真理——晶体管发展史晶体管几乎无处不在，小到人们日常生活中的助听器、音响、电视机，大到实验室仪器、工业生产和国防设备、计算机、机器人等，都离不开晶体管。可以毫不夸张地说，晶体管奠定了现代电子技术的基础。那么，晶体管究竟是如何发明出来的呢？让我们一同翻开历史的卷宗，去探寻答案。1883年，著名的发明家爱迪生发明了碳丝电灯，应用不久即出现了寿命太短的问题。爱迪生想方设法改进，忽发奇想在灯丝旁边放置一根铜丝，但铜丝并没有接在任何电极上。实验失败了，但他发现，没有连接在电路里的铜丝却产生了微弱的电流。爱迪生并不重视这个现象，只是把它记录在案，申报了一个未找到任何用途的专利，称之为“爱迪生效应”。1884年，一位叫弗莱明的英国发明家，远涉重洋，拜会了他慕名已久的爱迪生。就在两位发明家的会见中，爱迪生再次展示了爱迪生效应。遗憾的是，由于当时技术条件的限制，不论爱迪生还是弗莱明，都对这一效应都百思不得其解，不知道利用这一效应能做什么。时至今日我们知道，实际所谓“爱迪生效应”，是一种热电子效应。也就是说，灯丝被加热后，表面的电子变得活跃，“逃”了出去，结果被金属铜丝捕获，从而产生了电流。将金属带接入电池正极，电流表中会有电流通过金属带上的电压越高，电流越大金属带上的电压极性为负，就没有电流通过1899年，正在研究检波器的弗莱明想，如果把爱迪生效应应用在检波器上，结果会怎样呢？就这样，一个新的发明就此诞生。1904年，世界上第一只真空电子二极管，在弗莱明的手下诞生了。当时，这个二极管也叫做“弗莱明阀”。（真空管，vacuumtube，也就是电子管，有时候也叫“胆管”。）弗莱明发明的二极管弗莱明的二极管，结构其实非常简单，就是真空玻璃灯泡里，塞了两个极：一个阴极（Cathode），加热后可以发射电子；一个阳极（Anode），接收电子。至于玻璃管里为何要抽成真空，是为了防止发生气体电离，对正常的电子流动造成影响，破坏特性曲线。二极管的出现，虽然解决了检波和整流需求，但它实际用于检波器上不是很成功，还不如同时期的矿石检波器可靠。因此，对当时无线电的发展没有产生什么冲击。1906年，德·福雷斯特在真空二极电子管里，巧妙地加了一个栅板（“栅极”），发明了真空三极电子管。栅板的主要作用，是控制电流。德福雷斯特德·福雷斯特发明的三极管栅极上很小的电流变化，能引起阳极很大的电流变化，而且，变化波形与栅极电流完全一致。所以，三极管有信号放大的作用。真空三极管的发明，是电子工业领域的里程碑事件。这个小小的元件，集检波、放大和振荡三种功能于一体，为电子技术的发展奠定了基础。真空三极管是那一时期电子工业的心脏。基于它，我们才有了性能越来越强大的广播电台、收音机、无线电对讲等。真空管收音机的内部构造（可以看到很多个真空管）【出镜3】在往后的40余年里，电子管一直在电子技术领域占据统治地位，但是，不可否认，电子管十分笨重，能耗大、寿命短、噪声大，制造工艺也十分复杂，因此，电子管问世不久，人们就在努力寻找新的电子器件。1947年，肖克利的两位同事沃尔特.布兰坦（WalterBrattain）和约翰.巴丁（JohnBardeen），用几条金箔片，一片半导体材料和一个弯纸架制成一个小模型，可以传导、放大和开关电流。他们把这一发明称为“点接晶体管放大器”（Point-ContactTransistorAmplifier）。【出镜4】这就是后来引发一场电子革命的“晶体管”。肖克利和另两位同事荣获1956年度的诺贝尔物理学奖。这是一种用以代替真空管的电子信号放大元件，是电子专业的强大引擎，被媒体和科学界称为“20世纪最重要的发明”。在当时，点接触晶体管同矿石检波器一样，利用触须接点，很不稳定，噪声大，频率低放大功率小，性能还赶不上电子管，制作又很困难，不被人们看好。然而，物理学家肖克利等人却坚信晶体管大有前途，仍然不遗余力，继续研究。1948年，肖克利开发出双极结型晶体管，也就是后来被广泛使用的锗晶体三极管。肖克利研制的锗晶体三极管，在实现大功率放大时，不需预热，产生的热量也很小，实现同样的功能，晶体管消耗的功率是电子管的百万分之一。作为开关，晶体管比电子管的速度更快，体积更小，而且更容易实现规模化生产，为电器的微型化奠定了基础。锗非常稀少，分布不集中，导致锗的原材料成本居高不下，所以锗晶体管成本较高，锗还有一个劣势就是不耐高温，无法提纯到很高的纯度。而锗的先天劣势都是硅的先天优势，硅是地壳中第二丰富的元素，占地壳总质量的26.4%，材料从沙子中就能提取，如果大规模生产，成本只来自加工过程。1958年，仙童公司推出NPN型半导体三极管2N697，性能稳定，体积更小，为集成电路的出现打下了牢靠的基础。从1883年爱迪生无意间发现“热电子效应”，1904年约翰·弗莱明实现了第一个热离子二极管应用——检波器；再到1947年，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组研制出一种点接触型的锗晶体管，标志着真正的晶体管问世。晶体管是20世纪的一项重大发明，目前，我国已发展成为全球最大的电子产品及电子器件消费国，在移动通信网络建设、无人驾驶、超算、量子通信等方面的技术已迈入世界第一方阵。通过了解晶体管发展的历