最初的锗金属狂
最初的锗金属狂
有人为一种鲜为人知的准金属 (metalloid) 而痴迷，并说明这如何创建数码世界的
Gordon Teal (right), working on a junction transistor, 1950.
Source: Nokia Bell Labs
蒂尔 (Gordon Teal) 晚年回顾自己作为晶体管技术先驱的职业生涯时，或意识到这一切都是因为锗而发生的。他第一次遭遇这一元素是在 1920 年代，他还在美国布朗大学 (Brown University) 攻读化学博士学位的时候，而在他对这一元素能做什么之前，只是喜欢它的外观而已。「对我来说，这种明亮的银色元素是——并且仍然是——奇异又美丽的一种材料，」蒂尔几十年后在国际电气与电子工程师协会 (IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers) 的口述历史会议中回忆道。锗在当时还没有任何实际应用的事实反而让这种元素更具有吸引力。「它完全没有用处的情况，」他说，「让我着迷。」
贝尔电话实验所 (Bell Telephone Laboratories) 于 1930 年雇用了蒂尔，那时他还没有完成博士论文。在贝尔，他想方设法在工作中用上他所谓对锗的「持续个人依恋」，没有其他原因，就是为了「找到某种方法，把之前多年获得的知识及兴趣用起来。」他的愿望不仅仅是出于情感驱动。虽然贝尔并非化学实验室，而更多是生产机器的地方——其主要关注点是制造出更好的电话，但蒂尔及其同事们知道一场革命行将到来，其中玩转看似无用元素的能力与工程设计能力同等重要。不出一年，他被分配到贝尔的电视机部门，运用他的化学技能协助制备用于阴极射线管的光敏物质和玻璃。当他听说贝尔的主要竞争对手美国无线电公司 (RCA) 正使用锗，使其电视机可感应远远超出可见光谱的光源时，他要求对此进行跟进，但老板拒绝他的要求。
蒂尔花了数年的时间，并且尝试了多种迂回方法之后，才再次找到重新研究锗元素的机会。第二次世界大战开始后，他的工作是研究枪管和火箭喷管上的涂层。这很无聊，但另一项任务——半导体令人着迷。半导体具有操纵电流方向、电阻及放大功率的能力，最终成为了所有晶体管技术的基础。制作半导体需要一种既不是良好的导电体、又不是良好的绝缘体的材料。直至 1942 年，贝尔的另一家竞争对手美国电话电报公司 (AT&T) 开始使用锗的姊妹元素硅，来制造一种称为雷达系统整流器的半导体。蒂尔相信自己可以用锗做得更好。他用锗做了一些整流器，若不是因为得了肺炎，他还会继续朝这个方向努力。蒂尔病愈归来时，贝尔实验室安排他参与了一个涉及微波信号的不同雷达计划。
Teal at Bell Labs in 1951.
Source: Courtesy AT&T Archives and History Center
最终在 1948 年，蒂尔听说锗在贝尔研制晶体管的最新尝试中是候选材料之一。晶体管本是用来改进当时用于切换和放大电话在线信号、但经常故障的继电器；它们纯粹是电子、而非机电产品。负责这项研究的是一位名叫肖克利 (William Shockley) 的理论物理学家，他也是被认为制作出第一个晶体管的三位科学家之一。肖克利认为硅和锗是可能行使半导体功能的元素。蒂尔想加入有关研究行列之中。
蒂尔给管理层写了数份备忘录，炫耀自己对锗的深刻理解和掌握。它没有硅那么复杂，如果人们正确使用的话，它也更容易用起来——而且他还或许不那么圆滑地做出了肖克利做错了的论证。肖克利使用的是蒂尔认为效率不高的多晶样本，而蒂尔想制造一种光滑、美观、统一的锗单晶，用于晶体管。
管理层多次拒绝了蒂尔。肖克利辩称其实验室的锗达成效果的情况很好，而蒂尔建议的锗单晶也不会有所差别。最后，1948 年 9 月，在从曼哈顿到新泽西州萨米特 (Summit) 贝尔总部的巴士上，蒂尔与一位同事聊天时，同事说到自己需要制作一些锗。蒂尔说他可以做——而且还做成了单晶锗。
负责晶体管计划的贝尔公司副总裁莫顿 (Jack Morton) 允许蒂尔购买更多设备，并使用冶金车间来完善他的锗，前提是他别挡肖克利的路。接下来是蒂尔后来称之为「非法」研究的秘密操作。1949 年的大部份时间他是这样过的：每天晚上工作人员们下班的时候，他会把自己的设备推到实验室，然后工作到凌晨两三点钟，再不得不断开所有连接，并在早班工作人员过会儿回来上班之前，放好自己的设备。「这对我来说几乎成了一种生活方式，」他后来在一篇期刊文章中写道。
蒂尔的研究突然间看起来对肖克利有用，继而把研究从地下室搬到楼上。在 1949 年中期，肖克利研发小组开发出了结型晶体管，正是依靠锗晶体发挥最佳作用。但他的多晶锗并没有达到目的。一如美剧《绝命毒师》(Breaking Bad) 中的 Walter White，蒂尔制作出的锗晶体比其他任何人做的都更加纯净，看起来几乎令人难以置信。1949 年底，贝尔为培养晶体而专门成立了一个实验室，蒂尔上夜班的日子结束了。
贝尔的目标是创造一种能够在两种不同类型——p 型和 n 型——半导体材料之间无缝切换的晶体管。蒂尔突然处在了一切的中心。他找到了一种使用被称为掺杂技术的方法，也就是给锗注入一些杂质——磷、锑或砷均可，以大大增加半导体电路的功率和范围。现在也称为「启动」的掺杂技术也像许多其他所有关于半导体的技术一样，吸引了许多公司为了实现同一目标而争相开发。蒂尔的创新在于在自己制作出的超纯锗晶体仍在生长的同时，对其实施掺杂。他和肖克利以这种方式于 1950 年 4 月 20 日做出了首个 n-p-n 结型晶体管。
Scientific American , July 1952.
The Texas Collection/Baylor University
1952 年底，蒂尔离开了贝尔实验室，加盟当时还是专注于晶体管技术的新企业德州仪器公司 (Texas Instruments)。从锗转换为硅的时代终于到来时，蒂尔在制造完美晶体方面的经验又使他在竞争中领先一步。硅在军用级武器的高温条件下表现更好。科学历史学家内贝克尔 (Frederik Nebeker) 在其著作《天才的火花》(Sparks of Genius) 中，讲述了 1954 年美国无线电工程师学会 (Institute of Radio Engineers) 全国大会的故事。会上一个接一个的演讲者沮丧地告诫称，硅晶体管还要数年后才能问世，然后蒂尔走上讲台。「与今早会议上各位所表达的意见相反，」他说，硅晶体管的生产「将立即开始。」然后他把手伸进口袋说：「我这里碰巧带了一些。」在场人群目瞪口呆。德州仪器的销售额从 1953 年的 2700 万美元攀升至 1960 年的 2.33 亿美元。
从那一刻起，科技故事就变成了硅 (并且在越来越多的半导体应用中还有氮化镓) 的故事。在锗的问题上被短暂证明是正确的之后多年，蒂尔对创新之不稳定性依然有很多话要说——谁想出了什么，谁的想法创建在谁之上，结果归功于谁，谁加载史册。「在追求新知识方面，」他 1960 年在德州科学院 (Texas Academy of Science) 于沃思堡 (Fort Worth) 召开的全体大会上发表讲话时说，「科学家们已经了解到某些态度是有帮助的。……他是固执的，不满足于当前观点，并受到强烈的好奇心驱使。」
文章版权归原作者所有。
