項(xiàng)目二思政案例：勇于探索追求真理-晶體管發(fā)展史

勇于探索，追求真理——晶體管發(fā)展史晶體管幾乎無處不在，小到人們?nèi)粘Ｉ钪械闹犉?、音響、電視機(jī)，大到實(shí)驗(yàn)室儀器、工業(yè)生產(chǎn)和國防設(shè)備、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人等，都離不開晶體管。可以毫不夸張地說，晶體管奠定了現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)。那么，晶體管究竟是如何發(fā)明出來的呢？讓我們一同翻開歷史的卷宗，去探尋答案。1883年，著名的發(fā)明家愛迪生發(fā)明了碳絲電燈，應(yīng)用不久即出現(xiàn)了壽命太短的問題。愛迪生想方設(shè)法改進(jìn)，忽發(fā)奇想在燈絲旁邊放置一根銅絲，但銅絲并沒有接在任何電極上。實(shí)驗(yàn)失敗了，但他發(fā)現(xiàn)，沒有連接在電路里的銅絲卻產(chǎn)生了微弱的電流。愛迪生并不重視這個現(xiàn)象，只是把它記錄在案，申報(bào)了一個未找到任何用途的專利，稱之為“愛迪生效應(yīng)”。1884年，一位叫弗萊明的英國發(fā)明家，遠(yuǎn)涉重洋，拜會了他慕名已久的愛迪生。就在兩位發(fā)明家的會見中，愛迪生再次展示了愛迪生效應(yīng)。遺憾的是，由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制，不論愛迪生還是弗萊明，都對這一效應(yīng)都百思不得其解，不知道利用這一效應(yīng)能做什么。時至今日我們知道，實(shí)際所謂“愛迪生效應(yīng)”，是一種熱電子效應(yīng)。也就是說，燈絲被加熱后，表面的電子變得活躍，“逃”了出去，結(jié)果被金屬銅絲捕獲，從而產(chǎn)生了電流。將金屬帶接入電池正極，電流表中會有電流通過金屬帶上的電壓越高，電流越大金屬帶上的電壓極性為負(fù)，就沒有電流通過1899年，正在研究檢波器的弗萊明想，如果把愛迪生效應(yīng)應(yīng)用在檢波器上，結(jié)果會怎樣呢？就這樣，一個新的發(fā)明就此誕生。1904年，世界上第一只真空電子二極管，在弗萊明的手下誕生了。當(dāng)時，這個二極管也叫做“弗萊明閥”。（真空管，vacuumtube，也就是電子管，有時候也叫“膽管”。）弗萊明發(fā)明的二極管弗萊明的二極管，結(jié)構(gòu)其實(shí)非常簡單，就是真空玻璃燈泡里，塞了兩個極：一個陰極（Cathode），加熱后可以發(fā)射電子；一個陽極（Anode），接收電子。至于玻璃管里為何要抽成真空，是為了防止發(fā)生氣體電離，對正常的電子流動造成影響，破壞特性曲線。二極管的出現(xiàn)，雖然解決了檢波和整流需求，但它實(shí)際用于檢波器上不是很成功，還不如同時期的礦石檢波器可靠。因此，對當(dāng)時無線電的發(fā)展沒有產(chǎn)生什么沖擊。1906年，德·福雷斯特在真空二極電子管里，巧妙地加了一個柵板（“柵極”），發(fā)明了真空三極電子管。柵板的主要作用，是控制電流。德福雷斯特德·福雷斯特發(fā)明的三極管柵極上很小的電流變化，能引起陽極很大的電流變化，而且，變化波形與柵極電流完全一致。所以，三極管有信號放大的作用。真空三極管的發(fā)明，是電子工業(yè)領(lǐng)域的里程碑事件。這個小小的元件，集檢波、放大和振蕩三種功能于一體，為電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。真空三極管是那一時期電子工業(yè)的心臟?；谒覀儾庞辛诵阅茉絹碓綇?qiáng)大的廣播電臺、收音機(jī)、無線電對講等。真空管收音機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造（可以看到很多個真空管）【出鏡3】在往后的40余年里，電子管一直在電子技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)統(tǒng)治地位，但是，不可否認(rèn)，電子管十分笨重，能耗大、壽命短、噪聲大，制造工藝也十分復(fù)雜，因此，電子管問世不久，人們就在努力尋找新的電子器件。1947年，肖克利的兩位同事沃爾特.布蘭坦（WalterBrattain）和約翰.巴?。↗ohnBardeen），用幾條金箔片，一片半導(dǎo)體材料和一個彎紙架制成一個小模型，可以傳導(dǎo)、放大和開關(guān)電流。他們把這一發(fā)明稱為“點(diǎn)接晶體管放大器”（Point-ContactTransistorAmplifier）?！境鲧R4】這就是后來引發(fā)一場電子革命的“晶體管”。肖克利和另兩位同事榮獲1956年度的諾貝爾物理學(xué)獎。這是一種用以代替真空管的電子信號放大元件，是電子專業(yè)的強(qiáng)大引擎，被媒體和科學(xué)界稱為“20世紀(jì)最重要的發(fā)明”。在當(dāng)時，點(diǎn)接觸晶體管同礦石檢波器一樣，利用觸須接點(diǎn)，很不穩(wěn)定，噪聲大，頻率低放大功率小，性能還趕不上電子管，制作又很困難，不被人們看好。然而，物理學(xué)家肖克利等人卻堅(jiān)信晶體管大有前途，仍然不遺余力，繼續(xù)研究。1948年，肖克利開發(fā)出雙極結(jié)型晶體管，也就是后來被廣泛使用的鍺晶體三極管。肖克利研制的鍺晶體三極管，在實(shí)現(xiàn)大功率放大時，不需預(yù)熱，產(chǎn)生的熱量也很小，實(shí)現(xiàn)同樣的功能，晶體管消耗的功率是電子管的百萬分之一。作為開關(guān)，晶體管比電子管的速度更快，體積更小，而且更容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，為電器的微型化奠定了基礎(chǔ)。鍺非常稀少，分布不集中，導(dǎo)致鍺的原材料成本居高不下，所以鍺晶體管成本較高，鍺還有一個劣勢就是不耐高溫，無法提純到很高的純度。而鍺的先天劣勢都是硅的先天優(yōu)勢，硅是地殼中第二豐富的元素，占地殼總質(zhì)量的26.4%，材料從沙子中就能提取，如果大規(guī)模生產(chǎn)，成本只來自加工過程。1958年，仙童公司推出NPN型半導(dǎo)體三極管2N697，性能穩(wěn)定，體積更小，為集成電路的出現(xiàn)打下了牢靠的基礎(chǔ)。從1883年愛迪生無意間發(fā)現(xiàn)“熱電子效應(yīng)”，1904年約翰·弗萊明實(shí)現(xiàn)了第一個熱離子二極管應(yīng)用——檢波器；再到1947年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組研制出一種點(diǎn)接觸型的鍺晶體管，標(biāo)志著真正的晶體管問世。晶體管是20世紀(jì)的一項(xiàng)重大發(fā)明，目前，我國已發(fā)展成為全球最大的電子產(chǎn)品及電子器件消費(fèi)國，在移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、無人駕駛、超算、量子通信等方面的技術(shù)已邁入世界第一方陣。通過了解晶體管發(fā)展的歷