中国第一支晶体管是何时诞生的?

韩继国 / 智慧产品圈

引 言

我们都知道世界第一支晶体管是由美国人发明的。1947年12月,美国贝尔实验室的肖克莱、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。晶体管的问世,是20世纪的一项重大发明,可以说是半导体革命的先声。

但中国第一支晶体管诞生于何时,很难找到确切的资料和答案。50年代回国献身中国半导体第一波“创业”的前辈吴锡九先生,在他的自传体《回归》一书中给我们揭示了这一历史性进程。

吴锡九,1953年以总成绩第一名毕业于美国加州大学伯克利分校电子工程系,继而获得麻省理工大学硕士学位。1956年追随钱学森回国,是中国第一代晶体管、晶体管计算机和微型计算机的奠基人。吴锡九1965年从中科院物理所第八研究室调至156工程处,即后来的771研究所。70年代后期在时任中科院院长方毅“礼送出国”的关照下赴美国定居,现任美中绿色能源促进会主席。

美国第一批晶体管工程师里的中国人

吴老在他的回忆录中记载了他和同在MIT(麻省理工学院)的其他中国留学生对半导体的兴趣和掌握它的信念。50年代晶体管像一颗新星开始登上历史舞台。肖克莱的《半导体中的电子和空穴》这本经典著作成为他们进入晶体管领域的开山之作,考德威尔教授的“开关电路”权威课程成为他们探索晶体管世界的奠基之石。

在MIT的生活,促使这批中国留学生选择了半导体这一历史性的专业。他们怀着满腔热情参观设在MIT的世界顶级计算机——旋风式计算机时,看到庞大的体积塞满了好几个房间,各种电缆纵横交错、杂乱无章,他们从心里感到半导体晶体管对于未来的重要性,要做出高精尖的计算机首先要做好晶体管,这使他们毫不犹豫地选择了半导体专业,可以说,他们是中国第一代半导体事业的先驱。

在这批MIT校友中,有几位后来成为了半导体行业闻名世界的大咖级人物,其中就有张忠谋。这位和吴老同是上海南模中学的校友,都选择了MIT作为他们投身半导体事业的“黄埔军校”。作为MIT同班同学,毕业后他们都成为了美国第一批晶体管工程师里的中国人。

张忠谋是南模1948届毕业生,本来读机械,后改学电子,从MIT毕业后去了西凡尼亚工作,后去德州仪器,一直升到副总裁。后来回台湾创办台积电,成为家喻户晓的台湾半导体教父。吴锡九毕业后去了一家叫Transitron的半导体公司,在那里担任晶体管测试、设计和研制的项目经理,他的研究成果是金键二极管毫微秒焊接电路和设备,可以大大提高了产品的成品率,并申请为专利。与张忠谋不同的是,吴老在事业刚开始有了好的基础时选择了回国开拓中国大陆的半导体事业。

半导体研究室的“四员干将”

50年代的中科院物理所和半导体所,聚集了一批从海外归来的半导体学者专家。这批人可谓是我国的第一批海归,他们当中有王守武、林兰英、谢希德、黄昆、黄敞等。当年他们是“白手起家”研制中国自己的晶体管,吴老回忆说,在研制组,王守武是总管,林兰英研制材料,我研制管子,成众志负责测试和应用。一条龙攻关,成为半导体研究室的“四员干将”。

王守武,普渡大学获硕士、博士,物理学家。1952年王守武夫妇携不满周岁的女儿回归。1956年筹办中科院应用物理所下我国第一个半导体室。后筹建晶体管工厂(中科院微电子所的前身109厂)、半导体研究所、半导体测试基地等。曾获全国劳模称号,中科院学部委员。

林兰英,美国宾夕法尼亚大学博士。1957年回归祖国,在中科院物理所工作,是著名的半导体材料专家。先后研制出中国第一根硅、锑化铟、砷化镓、磷化镓等单晶,80年代开创性提出在太空失重条件下控制砷化镓的设想,被誉为“太空半导体之母”。当选中科院学部委员。

成众志:成众志叔叔成仿吾,成思危之父。1956年哈弗留学回国。1956年物理所固体电子学室主任,后到半导体所任晶体管电子学室主任。参与讨论《1956--1967年科学技术发展远景规划》,提出《全国固体电子学发展规划建议》。在晶体管性能测试和应用、固体电子学人才培养、电子学发展诸多方面做出了贡献。在回国前与美国科学家罗无念撰写了一本很有影响力的专著《晶体管应用》,并在著名的半导体“RCA实验室”工作近十年,回国时受到周总理的接见。直到晚年,他和他当年所领导的团队才被重新评价,确认他是中国半导体电子学的奠基者和开拓者,为中国航天事业和国防事业做出了无私的奉献。

除了中科院的“四员干将”以外,在为我国早期半导体晶体管研制倾心奉献并做出巨大贡献的还有黄昆、谢希德和黄敞等。

黄昆,50年代的黄昆已有很大名气,他在1945年考上庚子赔款公费留英生,师从诺贝尔奖得主波恩教授,后任利物浦大学物理系研究员,先后已有“黄昆散射”、“黄—佩卡尔理论”、“黄方程”等研究成果。1951年回国,先后担任北大物理系教授、中科院半导体所所长。黄昆的“多声子模型”、“半导体超晶格光学振动的系统理论”、“黄朱(朱郭芬)模型”等成果蜚声国际科坛。黄昆是新中国第一批学部委员,是荣获国家最高科技奖的中科院院士之一。

谢希德,1947年赴美留学,在MIT获得理论物理学博士。1952年底回到祖国,在复旦大学任教授。1956年和黄昆等奉国务院调遣,赴北大联合筹建半导体专业组。在缺少资料的情况下,与黄昆合作编著出我国第一部《半导体物理》教科书,这本教材很长时间成为我国固体物理和半导体物理专业学生和研究人员的必读书。后担任复旦大学校长,当选中科院数学物理学部委员。

黄敞,1953年获哈弗大学博士,1953年回国在北大任教授。后请调到计算所的半导体室工作。1965年3月调赴中科院156工程处,从此开始了他的航天微电子事业的生涯。156工程处后组建为七机部771所(现航天771所),先后任771所副所长、研究员、科技委主任等职务。1986年3月调赴北京,任航天部科技委常委。为组建新的以国防微电子为重点方向的772所,黄敞亲自上书中央领导,力陈我国国防微电子事业的重要性、特殊性和迫切性,直至中央领导亲自批准772所的开工建设。前后历经八年,被同行类比为“八年抗战”,这是黄敞晚年在我国国防微电子领域做出的最重大的贡献。

我国第一支晶体管的诞生

几年前一次偶然的机会,我见到了早已推崇备至的吴锡九先生。我问他还记不记得当年第一支晶体管的研制情况,年近八十的吴老精神矍铄记忆力惊人,向我讲述了当年第一支晶体管诞生的故事,其详细过程和了解程度就像昨日才发生的一样。

1956年周总理挂帅制定了一个“十二年科学技术发展规划”,这是一个全国一盘棋的长远发展规划,这个规划确定了优先发展“两弹一星”的任务,并提出了“四项紧急措施”。为此科学院在原来基础上,紧急再建立四个所:半导体所、计算所、电子所、自动化所。十年后,又增加了“第五项紧急措施”,建立微电子所,以适应发展前沿新兴科学的需要。

“四项紧急措施”的核心任务之一,就是要在我国立即开始半导体科学技术的研究。当时的条件没有专业人才,也没有进行过相关的课题研究,没有试验设备和可参考的技术资料,一切从零开始。于是,第一个攻坚战就是研制出我国的第一支晶体管。只有研制出晶体管,才能进一步研制出计算机,才能完成“两弹一星”需要的大量计算任务。所以,晶体管至关重要。

1956年开始的这场攻坚战,从两个方面组建团队:一个是以应用物理所和十三所为主,组织有关研究院和大专院校的一批科技人员,集中到中科院应用物理所(1958年10月改名物理所),进行半导体设备、材料、器件和测试的科研攻关。另一方面,由北京大学接收五所重点大学选出来的师生,集中在北大进行半导体专业人才的培养。

中科院的团队由王守武负责,下设三个研究大组。一个是半导体材料大组,王守武兼组长。另一个是器件大组,吴锡九任组长。器件组下设三个小组,晶体管小组、二极管小组、化学腐蚀小组。第三个大组是电子学组,成众志任组长。

团队组建后,我们又“能者为师”,开展培训工作。1956年8月在北京举办半导体全国讲习班(感觉和“农民运动讲习所”很像呢!),讲习班主讲由王守武、吴锡九、成众志承担。王守武主讲“晶体管的物理基础”,吴锡九主讲“晶体管设计和制造”,成众志主讲“晶体管性能测试及应用范围和限制”。

研制晶体管,第一关是设备。为了早日研制出制作晶体管的设备,研究员们深入到工厂,和有经验的师傅一起研究、设计这些设备。经过多次反复,终于做出一批符合要求的设备,如锗单晶炉、铟球制备设备、测量区域熔化和拉单晶的设备、测量电阻率以及少数载流子寿命等设备。另外还自制了合金炉、石墨舟、水晶管等一批器皿。

在化学方面,与化学所及相关部门合作,一起想法设法使各种化学试剂和气体达到半导体要求。同时将合金出来的PN结进行解剖和分析,通过切、磨、剖等工序,在显微镜下观察PN结以控制合金过程。

说到这儿,吴老拿起一把插在上衣口袋的小梳子,用习惯性的动作理了理一丝不乱的头发,继续回忆道:在第一次做烧结锗晶体管实验那天,我们组的廖德荣师傅把自制的烧结炉放在实验室中央,由我指导邓先灿和魏淑清具体操作(时间过去了几十年,吴老人名记忆出奇的好!),将集电极铟球、锗片、发射极铟球装入石墨模具,再慢慢推入到石英管中。

为了完全赶尽石英管中的空气,因为空气遇到氢气会爆炸,我们足足通了一个多小时的氮气。然后,慢慢将氢气通入到石英管中。炉管口的酒精灯将达到管口的氢气点燃了!看到火焰那么娇艳,大家就像成功发射了一枚氢弹那样高兴地手舞足蹈!

接下来实验继续进行,我们必须得不断实验,以求找到最好的工艺条件。这创世纪的锗晶体管烧结实验,从早上8点一直做到晚上8点,要知道,这只是万里长征的第一步。

当时制作晶体管的关键工艺是小铟球,每次实验完看到原本银亮的铟球都变成了黑漆漆的“乌球”,实验一次次的失败。失败后再来新一轮的实验,我们分析失败的原因,有一项是气体、水、化学药液的纯度太低,必须改进。

我们必须把小铟球做出来,小铟球直径只有几百甚至几十个微米,在当时的条件下困难不小。没有任何资料和设备,只有靠白手起家。大家每次失败后都共同讨论,议出方案,再改进,再实验。功夫不负有心人,终于在自制的土设备上,邓先灿做出了一根铟“面条”,大家又在铟“面条”上做文章,终于在上百次实验的基础上,一个合格的小铟球终于研制成功了!

有了这个土制的小铟球,晶体管的烧结实验又可以继续进行了。就这样,经过无数次的失败、改进、实验,再失败、再改进、再实验,1956年11月,科学院物理所终于研制出了锗合金结晶体管。它不再只是开路或通路电阻,它有了完整的PN结特性,也就是说,它实现了半导体的标准放大特性。中国第一支晶体管诞生了!

结语

在吴老1949赴美留学,到回国报效祖国这前后四十多年里,我们见证了大洋彼岸硅谷的诞生和半导体革命的第一次浪潮。在那段时间里,仙童公司生产晶体管,英特尔公司研制集成电路,惠普和其他公司研制计算机。虽然中国在科学交流方面与世隔绝,然而其发展却与硅谷的发展模式有着一定的相似之处。在相距不多的时间里,由于有像吴老这样的第一代海归科学家,我们在1956年研制出第一支晶体管,可以说这个时间我们与世界半导体的先进水平还相差不远,在当时极为有限的条件下取得这样的卓越成果,也是令世人惊叹的。可惜的是,由于大家都知道的原因,我们在后面三十年开始落后了,差距越拉越大。近十几年来,中国的集成电路产业每年以两位数的速度在进步,我们正在努力缩小与世界同行的差距,这与当年吴老和那批有志于献身中国半导体事业的前辈的努力是分不开的。可以说,正是这段不该被遗忘的历史,为中国现在半导体技术跃进到高水平并成为世界力量做好了铺垫。

▲ 2010年6月作者与吴锡九先生合影

 

原文转自:https://mp.weixin.qq.com/s/uSVEUHvOKX0vFZXlcYDWtQ