自20世纪20年代以来,电子线路元件主要是真空管、电阻、电容及线圈,不仅体积大、重量重,还耗电多。30年代的一只电子管收音机,足有现在的电视机那么大。人们迫切希望有新的元件问世。
1945年,美国贝尔实验室的科学家,注意到制约未来远程通信发展的一些因素,主要是电子管放大器消耗能量大、容易损坏以及电磁继电器速度慢的缺点,而这正是实现远距离无线电通信的障碍。于是,他们决定研究新型电子器件,肖克莱提议以半导体为研究方向。早在1925年,就有科学家发现了半导体的场效应特性,在半导体的两端施加电场,就会改变半导体中电荷的浓度,从而改变半导体的导电能力。
当年夏天,贝尔实验室决定成立一个专门研究小组,以肖克莱、布拉顿和巴丁为核心,负责弄清楚半导体的机理,探讨利用半导体来做放大器的可能性。他们发现了同一种半导体材料的两种不同的导电机理,这就是P型半导体和N型半导体。P型半导体以正电荷(空穴)导电,N型半导体以负电荷(电子)导电;通过控制杂质的浓度,就可控制导电电荷的多少。P型半导体和N型半导体结合在一起可以形成pn结,pn结理论对晶体管的发明起了重要作用。
很快,他们又发现,利用电解液来改变半导体表面附近的空间电荷层,就可以实现肖克莱用“场效应”原理做放大器的设想了。
接下来,他们先是用P型硅片做实验,实现了电流和功率的放大,然后又用N型锗片做这个实验,发现效果更好。后来,巴丁和布拉顿提出了新实验方案——点接触方案。他们在氧化的锗片表面上,蒸镀两个间距比一根头发丝还细的金点,第一个金——锗触点加正向偏压,第二个金——锗触点加反向偏压,这样就获得了电压和功率放大。1947年12月,世界上第一只晶体管在贝尔实验室里诞生了。1948年1月,肖克莱阐述了晶体管的工作机理,揭开了晶体管放大作用的秘密。他认为,并不是半导体的表面态或是场效应起了作用,而是半导体本身的载流子(电子、空穴)在起作用,从而完善了PN结理论。肖克莱、布拉顿、巴丁三人,因在晶体管发明、半导体物理方面的贡献,同获1956年诺贝尔物理学奖。