正文

江崎二極管——機(jī)遇女神的現(xiàn)身

挑戰(zhàn)極限 作者:江崎玲于奈


對(duì)半導(dǎo)體施加電壓,只要超過(guò)一定界限,就會(huì)產(chǎn)生絕緣破壞(breakdown),屆時(shí)電流會(huì)迅速涌入。長(zhǎng)年以來(lái),圍繞這一現(xiàn)象一直爭(zhēng)論不絕,我也因此極為關(guān)注。

1934年,美國(guó)物理學(xué)者齊納(Zener)通過(guò)量子力學(xué)的隧道效應(yīng),對(duì)絕緣破壞展開(kāi)了精彩的理論建構(gòu)。但是,現(xiàn)實(shí)中的絕緣破壞是由電子雪崩現(xiàn)象產(chǎn)生的,與隧道效應(yīng)并無(wú)關(guān)系。齊納所提出的理論屬于典型的“創(chuàng)造性失敗”(Creative failure),最后以失敗告終。

1951年,晶體管的發(fā)明者,包括肖克利(Shockley)在內(nèi)的美國(guó)貝爾研究所的研究人員發(fā)表了新的研究報(bào)告。其結(jié)論是,某一種類的鍺二極管可以如齊納理論所指,產(chǎn)生絕緣破壞。

只是,此后的詳細(xì)研究表明,即使是這種情形,實(shí)際上也是雪崩現(xiàn)象造成的,而非齊納所說(shuō)的隧道效應(yīng)。貝爾研究所的著名學(xué)者們,結(jié)果也只是為齊納的“創(chuàng)造性失敗”進(jìn)行了最后的粉飾而已。

沒(méi)想到的是,在這一系列的事態(tài)發(fā)展中,我的研究信心竟然明確地樹(shù)立起來(lái)。其實(shí),早在神戶工業(yè)的時(shí)代,我就對(duì)隧道電流的觀測(cè)抱有一種使命感,終于在31歲這年,為了追尋這“探尋隧道的旅程”,從神戶來(lái)到了東京。

古希臘頂尖的自然哲學(xué)家德謨克利特一語(yǔ)道破天機(jī):“宇宙中的一切存在都是偶然和必然結(jié)合的產(chǎn)物。”曾有報(bào)道說(shuō),江崎二極管純粹是偶然的產(chǎn)物,但正如此處所記,在江崎二極管的誕生過(guò)程中,偶然與必然可謂如影隨形,缺一不可。

我用自己的方法把PN結(jié)合層逐漸做薄,正如預(yù)期的,其順向特性沒(méi)有發(fā)生什么變化,但逆向的耐電壓卻不斷降低,這樣一來(lái),逆向就比順向更容易產(chǎn)生電流,前所未聞的新二極管就此誕生。我給它取名為“逆向二極管”(Backward Diode)。毫無(wú)疑問(wèn),齊納理論在這里得到了運(yùn)用,我也終于確信觀測(cè)到了隧道電流。

到此為止是“必然”的產(chǎn)物與結(jié)果,機(jī)遇女神的現(xiàn)身卻是在此之后。

1957年,7月盛夏的一天,酷熱使得研究室里的冷氣都不管用了。沒(méi)辦法,我們只好把逆向二極管放入零下80度的槽中,此時(shí)觀測(cè)順向的隧道電流發(fā)現(xiàn),所施加的電壓越高,電流就變得越小,這就是所謂“負(fù)性抵抗”,也是發(fā)現(xiàn)江崎二極管的開(kāi)端。仔細(xì)想來(lái),這是種理所當(dāng)然的特性,只不過(guò)在制訂研究計(jì)劃時(shí)沒(méi)能想到而已。負(fù)性抵抗在應(yīng)用層面上有著很高的價(jià)值。與通常的二極管不同,會(huì)產(chǎn)生振蕩、增幅、開(kāi)關(guān)的功能。此外,因?yàn)槭撬淼离娏?,所以是超高速運(yùn)作。也就是說(shuō),迄今為止,一直糾纏著隧道電流的“創(chuàng)造性失敗”獲得了機(jī)遇女神的眷顧,搖身一變,成了“創(chuàng)造性成功”。

這一成果隨即在1957年10月的日本物理學(xué)會(huì)年會(huì)上發(fā)表,完成的論文則刊登在1958年1月號(hào)的美國(guó)物理學(xué)會(huì)志上,成果就此問(wèn)世。但對(duì)于這一發(fā)現(xiàn),在日本除了極少數(shù)的一部分人之外,其意義并未立刻為大家所理解。最高興的則要屬齊納本人,他甚至邀請(qǐng)我去他擔(dān)任所長(zhǎng)的西屋(Westinghouse)研究所工作。


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