1940年3月6日
偶然的发现——PN结
物质的表面或交界面是个非常神奇的区域，许多新奇的自然现象是在这里出现的，例如液体的表面张力和内聚力、吸附力、摩擦力、黏滞力、毛细现象、浸润现象、金属交界面上的接触电势差等。在这些现象中，最新奇、开发得最好也是最重要的，应属半导体的PN结效应。它的发现给半导体技术、电子技术带来了震撼性的影响，彻底改变了我们的生活，以至改变了整个世界。
“创造力”有时出现在一些非主流人群中，也隐含在一些不合主流的“旁门左道”的想法之中，PN结的发现即如此，虽然偶然，但并不意外。20世纪30年代至40年代，真空管是统领无线电的核心器件，在真空管无线电技术一统天下的时候，美国电报电话公司贝尔实验室的年轻科学家们却一心希望能找到比真空管更好的替代物，他们选择了硅和锗，希望它们能成为更好的检波器材料。然而在很长时间里，人们对这些材料一直所知不多，研究的进展也不大。一些年纪大的同事，特别是资深的专家对这项研究并不看好，例如沃尔特·布拉顿（Walter Houser Brattain）（图1）开始有了微词，认为这些努力只是徒劳，只有真空管才是无线电技术真正的未来，不如把时间花费在改善真空管技术上。
图1
年轻的工程师罗素·奥尔（R.S.Ohl）（图2）却不这样想，他坚持关注硅的性质。一开始，他把注意力集中在硅的整流性质上，一门心思研究获取纯净硅的办法，认为只有获得较纯净的材料才能实现这一结果，然而在获得了99.8%的纯净硅后，还是没有什么进展。
图2
新的发现往往会在偶然中不期而至，后来发现，之所以“偶然”是与当初的预想正好相反，利用完全纯净的硅并不能得到整流效果。1940年3月6日的这天早上，奥尔发现在置备好的一片硅片里有了裂痕，他和斯卡夫打开灯观察，却意外地发现了与硅片连接的伏特表指针竟然有了半伏特的偏转，这让他们大吃一惊。在这以前，还没有听说过硅片有这样奇特的性质，他们认定其中必有原因。他们立刻把顶头上司莫文·科里找来，表演给他看。科里也不清楚这是怎么回事，只好把曾持反对意见的布拉顿也找来，布拉顿也蒙了。但“姜还是老的辣”，布拉顿毕竟懂行，在关键时刻，他给出了一个关键性的提示，认为这种奇特的现象是裂痕界面表现出来的效应，也可能是光照使界面出现了电势差。
果然，秘密被布拉顿说中了，原来在制备硅棒时，为了避免材料爆裂，要先把硅融化，然后令它慢慢冷却。在硅晶体固化的过程中，硅锭中的一些杂质浮到了顶端，使得中段较为纯净，而顶部却含有杂质，这就是后来所发展的商品硅，而在切割硅片时，技师无意中恰好切在了纯净硅和商品硅的界面上，于是硅片保留了两种不同的材质，半片是纯净硅，另半片则是含有杂质的商品硅，奇迹就出现在这两种硅的交界面上。奥尔和斯卡夫兴奋极了，他们意识到这是研发与真空管全然不同的检波器的关键。
经过研究，奥尔和斯卡夫找到了奇特现象的原理。原来，在两种硅的界面上，一个半片的表面更容易留住电子，因而形成带负电的n型，另一个半片不容易留住电子出现带正电的“空穴”，因而形成带正电的p型。在n型和p型的交界面上，由于电子和空穴的浓度差，出现了电子和空穴向两侧扩散的现象。扩散的结果，n型缺少了电子，而留下带正电的杂质离子。在半导体中，离子不能移动，不参与导电，这些不能参与导电的带电粒子就在界面上形成一个很薄的空间带电区，这个空间的电荷区就是PN结。
根据这一原理，他们很快发现了PN结的单向导电特性，如果给PN结加上正向电压，则电流很顺利地通过，但如果加上反向电压，则电流终止。这一特性的发现使他们兴奋不已，这正是他们所要寻找的最好的固体检波器材料，由此半导体二极管诞生。奥尔很快地发出了两篇论文，一篇是“认识PN结的特性”，另一篇是“PN结的二极管特性”。
奥尔首先发现的是同一种硅材料的PN结，这种结又称为同质结，以后人们陆续发现不同材质的PN结，如硅和锗界面上的异质结。很快地，在奥尔的领导之下，又开发了离子注入技术。结合多年之后的扩散工艺、外延工艺、光刻工艺及镀膜技术、封装工艺等的开发与成熟，形成了后来的半导体技术。这一切，其实都是由于一个偶然的发现引起的。正是带有明确的目的与动机，才使他们的偶然发现产生了强大的后果，使偶然现象有了生命力，从这个偶然发现的萌芽开始，使半导体技术、半导体电子学、半导体光电子学以及各种半导体器件犹如一股洪流，以势不可当之势发展了起来，由此引发了电子技术的一场深刻变革，从而改变了整个世界。
关键词：PN结，罗素·奥尔PN junction，Russell Ohl
