第一支晶體管的故事及其工作原理
晶體管---它是才華和雄心的產(chǎn)物。
真空三極管誕生不到20年時(shí)，物理學(xué)家就開始了開發(fā)真空三極管接替者的嘗試，這種嘗試風(fēng)險(xiǎn)巨大。因?yàn)槿龢O管不僅使長途電話和電影聲音成為可能，還有助于了整個(gè)商業(yè)無線電事業(yè)的開展，1929年，這個(gè)行業(yè)的價(jià)值超過10億美元。但是真空管耗電量大且極易受損，如果能找到一種更加堅(jiān)固、可靠和高效的三極管替代品，回報(bào)也將是巨大的。
因此，研究人員將目光投向了一種由半導(dǎo)體制成的三端器件，它可以將低功率信號(hào)輸入一個(gè)輸入端，并用它來控制另兩個(gè)端之間的大電流，從而放大原始信號(hào)。這種器件的基本原理稱為“場(chǎng)效應(yīng)”，描述的是電場(chǎng)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性的能力。得益于二極管和對(duì)半導(dǎo)體的相關(guān)研究，場(chǎng)效應(yīng)在當(dāng)時(shí)已經(jīng)廣為人知。
不過20多年過去，制造這樣一款器件對(duì)一些世界頂級(jí)物理學(xué)家來說仍是一個(gè)難以克服的挑戰(zhàn)。從1925年開始，人們就提交了類晶體管器件的專利申請(qǐng)，但第一個(gè)有記錄的可用晶體管是1947年底美國電話電報(bào)公司貝爾電話實(shí)驗(yàn)室制造的傳奇般的點(diǎn)接觸式器件。
雖然點(diǎn)接觸式晶體管是20世紀(jì)最重要的發(fā)明，但令人驚訝的是，對(duì)于它的實(shí)際工作原理卻沒有清晰、完整和權(quán)威的解釋。現(xiàn)代更堅(jiān)固的結(jié)型晶體管和平面晶體管依賴的是半導(dǎo)體主體的物理特性，而不是第一個(gè)晶體管所利用的表面效應(yīng)。在學(xué)術(shù)上，對(duì)這種差距的關(guān)注相當(dāng)少。
點(diǎn)接觸式晶體管是一個(gè)看起來很笨拙的鍺、塑料和金箔的組合，頂部有一個(gè)彎曲的彈簧。它的發(fā)明者是說話溫和的中西部理論家約翰?巴丁（John Bardeen）和健談但“情緒有點(diǎn)反復(fù)無?！钡膶?shí)驗(yàn)主義者沃爾特?布拉頓（Walter Brattain）。兩人都曾在威廉?肖克利（William Shockley）手下工作，但后來他們出現(xiàn)了不和。1947年11月，一個(gè)簡(jiǎn)單的問題難住了巴丁和布拉頓。在他們使用的鍺半導(dǎo)體中，表面的電子層似乎阻擋了外加電場(chǎng)，阻止它穿透半導(dǎo)體和調(diào)節(jié)電流。沒有調(diào)制，就無法放大信號(hào)。
1947年末，他們突然想到了一個(gè)解決辦法，使用彎曲的彈簧輕輕地將兩片幾乎分不開的金箔推到了小鍺板的表面。
教科書和大眾報(bào)道都傾向于忽略點(diǎn)接觸式晶體管的機(jī)制，選擇解釋其新近后代的工作原理?；袈寰S茨（Horowitz）和希爾（Hill）合著的《電子學(xué)的藝術(shù)》是電子工程本科生的圣經(jīng)，但實(shí)際上，這本書的當(dāng)前版本根本沒有提到點(diǎn)接觸式晶體管，并錯(cuò)誤地宣稱結(jié)型晶體管是“1947年諾貝爾獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)發(fā)明”，從而掩蓋了點(diǎn)接觸式晶體管的存在。但1947年發(fā)明的晶體管是點(diǎn)接觸式晶體管；1948年肖克利才發(fā)明了結(jié)型晶體管。
因此，1956年約翰?巴丁的諾貝爾獎(jiǎng)演講是對(duì)點(diǎn)接觸式晶體管的最全面的解釋，這似乎是合理的。即便如此， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 在閱讀這篇演講內(nèi)容時(shí)也會(huì)感到，即便是發(fā)明者自己也可能對(duì)一些細(xì)節(jié)不理解。明尼蘇達(dá)大學(xué)查爾斯?巴貝奇科學(xué)技術(shù)史研究所前所長托馬斯?米薩（Thomas Misa）說：“點(diǎn)接觸式晶體管令很多人感到困惑?！?/p>
事實(shí)上，在巴丁演講后的第二年，在電力電子領(lǐng)域持續(xù)致力于開創(chuàng)性工作的加州理工學(xué)院電氣工程學(xué)教授R.D.米德爾布魯克（R.D. Middlebrook）寫道：“由于該器件的三維特性，理論分析很困難，而且實(shí)際上， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 也尚未完全理解它的內(nèi)部操作?！?br/>
盡管如此， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 仍然可以借助開展了75年的半導(dǎo)體理論來嘗試解釋。點(diǎn)接觸式晶體管是圍繞一塊拇指大小、帶有過多負(fù)電荷電子的n型鍺板構(gòu)建的。這塊鍺板經(jīng)過處理，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常薄的p型表面層，這意味著它有過多的正電荷。這些正電荷稱為“空穴”。它們實(shí)際上是在半導(dǎo)體原子之間移動(dòng)的電子留下的局部空位，就像真正的粒子一樣。鍺板底部與電接地的電極連接，形成了晶體管的基極。接觸表面的兩條金箔形成了另外兩個(gè)電極，被稱為“發(fā)射極”和“集電極”。
以上就是其內(nèi)部布局。在操作過程中，對(duì)發(fā)射極施加不到1伏特的少量正電壓，對(duì)集電極施加更大的4到40伏特負(fù)電壓，均需參考接地的基極。p型層和n型板之間的界面形成了一個(gè)結(jié)，就像二極管中的結(jié)一樣：本質(zhì)上，結(jié)是一個(gè)勢(shì)壘，只允許電流朝著較低的電壓方向流動(dòng)。因此，電流可以從正極發(fā)射極流過勢(shì)壘，卻沒有電流可以流過勢(shì)壘進(jìn)入集電極。
現(xiàn)在，再看看原子之間的情況。第一時(shí)間， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 會(huì)斷開集電極，看看沒有它時(shí)發(fā)射極周圍會(huì)出現(xiàn)什么情況。發(fā)射極將正電荷（空穴）注入p型層，然后正電荷開始向基極移動(dòng),但不會(huì)沿直線移動(dòng)。p型薄層會(huì)迫使它們?cè)诖┻^勢(shì)壘進(jìn)入n型板之前向側(cè)邊散開一段距離。想象一下慢慢把少量細(xì)粉倒在水面上，粉末最終會(huì)下沉，但第一時(shí)間會(huì)呈圓形散開。
現(xiàn)在 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 連接集電極。雖然它本身不能順利獲得p-n結(jié)的勢(shì)壘吸收電流，但它較大的負(fù)電壓和尖角形狀確實(shí)會(huì)產(chǎn)生能夠穿透鍺的集中電場(chǎng)。集電極離發(fā)射極很近，而且?guī)ж?fù)電，所以它會(huì)開始吸收許多從發(fā)射極擴(kuò)散開來的空穴。這種電荷流會(huì)導(dǎo)致集電極下p-n結(jié)勢(shì)壘附近的空穴發(fā)生集中。這種集中能有效降低勢(shì)壘的“高度”,否則勢(shì)壘會(huì)阻止電流在集電極和基極之間流動(dòng)。隨著勢(shì)壘降低，電流開始從基極流入集電極，且比發(fā)射極流入晶體管的電流大得多。
電流的大小取決于勢(shì)壘的高度。發(fā)射極電壓的小幅下降或上升會(huì)導(dǎo)致勢(shì)壘上下波動(dòng)。因此，發(fā)射極電流的微小變化即可控制集電極的巨大變化，所以就出現(xiàn)了放大。（電子工程師們會(huì)注意到，與后來的晶體管相比，基極與發(fā)射極的功能是相反的，在后來的晶體管中，控制晶體管響應(yīng)的是基極而非發(fā)射極。）
它笨拙且脆弱，卻是一個(gè)半導(dǎo)體放大器，而且它的后代將改變世界，其發(fā)明者也知道這一點(diǎn)。1947年12月16日是決定性的一天，布拉頓想到了一個(gè)辦法，用一條金箔帶系住三角形塑料，微小的縫隙可以將發(fā)射極和集電極觸點(diǎn)分開。這種配置帶來了可靠的功率增益，巴丁和布拉頓知道他們成功了。那天晚上，布拉頓在拼車回家的路上告訴同伴，他剛剛完成了“一生中最重要的實(shí)驗(yàn)”，并讓他們發(fā)誓保守秘密。沉默寡言的巴丁也忍不住分享了這個(gè)消息。據(jù)說，那天晚上，他在妻子簡(jiǎn)準(zhǔn)備晚餐時(shí)簡(jiǎn)單地說了一句:“ ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 今天有些發(fā)現(xiàn)?！焙⒆觽?cè)趶N房里蹦蹦跳跳，妻子回答說:“太好了，親愛的?！?/p>
晶體管終于出現(xiàn)了，但相當(dāng)不結(jié)實(shí)。發(fā)明者后來想到了在晶體管制造過程中順利獲得大電流實(shí)現(xiàn)電成型集電極的想法。借助這項(xiàng)技術(shù)，他們能夠取得更大的電流，而不是被嚴(yán)格限制在表面層內(nèi)的電流。不過，電成型有點(diǎn)碰運(yùn)氣。“他們會(huì)扔掉那些不起作用的?！泵姿_指出。
盡管如此，在美國電話電報(bào)公司的許可下，許多公司還是投產(chǎn)了點(diǎn)接觸式晶體管，1951年，美國電話電報(bào)公司自己的制造部門西部電氣也開始了生產(chǎn)。點(diǎn)接觸式晶體管被用于助聽器、振蕩器、電話路由設(shè)備、美國無線電公司（RCA）制造的實(shí)驗(yàn)性電視接收器，以及第一臺(tái)機(jī)載數(shù)字計(jì)算機(jī)Tradic等系統(tǒng)。事實(shí)上，點(diǎn)接觸式晶體管直到1966 年還在生產(chǎn)，部分原因是與替代品相比，它的速度更快。
貝爾實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)并不是唯一成功研發(fā)晶體管的團(tuán)隊(duì)。在巴黎東北部郊區(qū)的歐奈蘇布瓦市，赫伯特?馬塔雷（Herbert Mataré）和海因里希?韋爾克（Heinrich Welker）兩位德國物理學(xué)家也在嘗試制造三端半導(dǎo)體放大器。在為西屋公司的一家法國子公司工作時(shí)，他們繼續(xù)了馬塔雷在1944年為德國軍方開發(fā)鍺和硅整流器時(shí)所做的非常有趣的觀察。1948年6月，兩人成功制造出一種可靠的點(diǎn)接觸式晶體管。
大約一個(gè)星期后，貝爾實(shí)驗(yàn)室終于在1948年6月30日的新聞發(fā)布會(huì)上公布了研發(fā)點(diǎn)接觸式晶體管的消息，這令馬塔雷和韋爾克大吃一驚。因?yàn)殡m然這兩款器件是在完全獨(dú)立和秘密狀態(tài)下開發(fā)的，但卻幾乎完全相同。
晶體管的故事在此處發(fā)生了不尋常的轉(zhuǎn)折，其精妙設(shè)計(jì)令人驚嘆，其細(xì)節(jié)也給人帶來了煩惱。巴丁和布拉頓的老板威廉?肖克利非常憤怒，因?yàn)樗拿譀]有出現(xiàn)在巴丁和布拉頓的晶體管原始專利申請(qǐng)書中。他確信巴丁和布拉頓將他關(guān)于半導(dǎo)體場(chǎng)應(yīng)用的理論用在了他們的工作器件中，卻沒有計(jì)算他的功勞。肖克利曾在1945年基于這些理論制造過一款晶體管，但沒有成功。
1947年12月底，在點(diǎn)接觸式晶體管取得初步成功不到兩周后，肖克利前往芝加哥參加美國物理學(xué)會(huì)年會(huì)。新年前夕，他躲在酒店房間里，在嫉妒和憤怒情緒的強(qiáng)烈驅(qū)使下，開始設(shè)計(jì)自己的晶體管。他在3天的時(shí)間里寫了大約30頁筆記。月底時(shí)，他就完成了雙極結(jié)型晶體管（BJT）的基本設(shè)計(jì)，這種晶體管最終取代了點(diǎn)接觸式晶體管，并在20世紀(jì)70年代末之前不斷占據(jù)主導(dǎo)地位。
雙極結(jié)型晶體管以肖克利深信的觀點(diǎn)為基礎(chǔ)，即電荷可以而且應(yīng)該流經(jīng)塊狀半導(dǎo)體，而不是流經(jīng)其表面的薄層。該器件由三明治一樣的3個(gè)半導(dǎo)體層組成：發(fā)射器、中間的基極，以及集電極。它們交替摻雜，因此有兩個(gè)版本：稱為NPN的n型/p型/n型，以及稱為PNP的p型/n型/p型。
雙極結(jié)型晶體管依賴的原理與點(diǎn)接觸式晶體管基本相同，但它使用了兩個(gè)p-n結(jié)而非一個(gè)。用作放大器時(shí)，施加給基極的正電壓允許小電流在基極和發(fā)射極之間流動(dòng)，這反過來控制了集電極和發(fā)射極間的大電流。
以NPN器件為例?；鶚O是p型，所以有多余的空穴。但是它很薄，且摻雜較輕，所以空穴相對(duì)較少。極小一部分的流入電子與這些空穴結(jié)合，并從循環(huán)中移除，絕大部分（超過97%）電子則繼續(xù)流經(jīng)薄薄的基極，進(jìn)入集電極，形成強(qiáng)大的電流。
那些與空穴結(jié)合的少數(shù)電子必須從基極排出，才能保持其p型性質(zhì)，并承載順利獲得它的強(qiáng)電流。移除“被俘獲”的電子是順利獲得流出基極的相對(duì)較小的電流來實(shí)現(xiàn)的。涓涓細(xì)流使更強(qiáng)的電流流入集電極。因此，實(shí)際上，小基極電流控制著高功率集電極電路。
電場(chǎng)開始發(fā)揮作用，但它們不會(huì)調(diào)節(jié)電流，而早期的理論家認(rèn)為，這種器件要發(fā)揮作用，就必須調(diào)節(jié)電流。其中的要點(diǎn)是：耗盡區(qū)跨越了雙極結(jié)型晶體管的兩個(gè)p-n結(jié)，電子和空穴在耗盡區(qū)結(jié)合，且那里的移動(dòng)電荷載流子相對(duì)較少。施加給結(jié)的電壓會(huì)在每個(gè)結(jié)處形成電場(chǎng)，將電荷推過這些區(qū)域。這些電場(chǎng)會(huì)讓電子從發(fā)射極不斷流過基極，進(jìn)入集電極。
在雙極結(jié)型晶體管中，“外加電場(chǎng)會(huì)影響載流子密度，但因?yàn)檫@種影響是指數(shù)級(jí)的，所以只需要一點(diǎn)點(diǎn)就可以產(chǎn)生大量的擴(kuò)散電流?！备鐐惐葋喆髮W(xué)電氣工程系主任揚(yáng)尼斯?“約翰”?基米西斯（Ioannis“John”Kymissis）解釋道。
雙極結(jié)型晶體管比點(diǎn)接觸式晶體管更加堅(jiān)固和可靠，正是這些特性鑄就了它的偉大，但還需要一段時(shí)間才能證明。從20世紀(jì)60年代初首次出現(xiàn)，到20世紀(jì)70年代末被金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）取代，雙極結(jié)型晶體管不斷被用于制造集成電路。事實(shí)上，正是這些場(chǎng)效應(yīng)晶體管（第一時(shí)間是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，然后是MOSFET）最終實(shí)現(xiàn)了幾十年來基于場(chǎng)效應(yīng)運(yùn)行的三端半導(dǎo)體器件夢(mèng)想，而這正是肖克利最初的構(gòu)想。
20世紀(jì)50年代初，人們很難想象會(huì)有這樣輝煌的未來，當(dāng)時(shí)美國電話電報(bào)公司等正在努力尋找有效且實(shí)用的方法來制造新的雙極結(jié)型晶體管。肖克利本人繼續(xù)投入到硅研究領(lǐng)域。他搬到了帕洛阿爾托，并于1956年創(chuàng)立了一家公司，引領(lǐng)了電子半導(dǎo)體從鍺到硅的轉(zhuǎn)變，促成了硅谷的興起。其公司的員工后來創(chuàng)立了仙童半導(dǎo)體公司，然后是英特爾公司。
晚年時(shí)，他因管理不善失去了公司，成為了斯坦福大學(xué)的一名教授，并開始傳播關(guān)于種族、遺傳和智力的毫無根據(jù)的瘋狂理論。1951年，巴丁離開貝爾實(shí)驗(yàn)室，成為了伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的一名教授，并在該校因超導(dǎo)理論第二次取得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。（他是唯一兩次取得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的人。）布拉頓不斷在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作到1967年，之后他加入了位于華盛頓州瓦拉瓦拉的惠特曼學(xué)院。
1989年肖克利去世，那時(shí)的他已經(jīng)是一個(gè)無依無靠的孤家寡人。但是他的晶體管不斷改變著世界，雖然直到1953年人們?nèi)圆磺宄p極結(jié)型晶體管是否會(huì)成為未來。在當(dāng)年的一次采訪中，10年后幫助建立了IEEE的唐納德?G.芬克（Donald G. Fink）沉思道：“它到底是一個(gè)尚處成長期，現(xiàn)在雖略顯笨拙，但未來充滿活力與希望的新事物，還是已經(jīng)成熟，卻衰弱無力，令人失望的末路者呢？”
顯然它是前者， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 所有人的生活都因?yàn)樗兊酶用篮昧恕?/p>
作者：Glenn Zorpette
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