第一个晶体管的诞生你知道吗

当物理学家开始尝试创造它的继任者时，真空管三极管还不到 20 岁，而且赌注巨大。在当时，三极管不仅使长途电话和电影声音成为可能，它还推动了整个商业无线电行业的发展，这个行业在 1929 年价值超过 10 亿美元。但是真空管耗电且脆弱。如果能找到一种更坚固、更可靠、更高效的三极管替代品，回报将是巨大的。 因此他们将目光投向了由半导体制成的三端设备，可以将低电流信号接收到输入端子，并用它来控制在其他两个端子之间流动的较大电流，从而放大原始信号。这种设备的基本原理是所谓的场效应——电场调节半导体材料导电性的能力。得益于二极管和对半导体的相关研究，场效应在当时已经广为人知。 但二十多年来，建造这样一个设备对一些世界顶级物理学家来说是一个无法克服的挑战。类晶体管设备的专利 从 1925 年开始申请，但（legendary point-contact ）第一个工作晶体管的记录实例是 1947 年秋天在 AT&T 贝尔电话实验室制造的传奇点接触设备。

在点接触（point-contact）的剖视图中，可以看到两个细导体；这些连接到与一小块锗接触的点。这些点之一是发射极，另一个是集电极。第三个触点，即基极，连接到锗的反面。

尽管点接触（point-contact）晶体管是 20 世纪最重要的发明，但令人惊讶的是，人们对于它的实际工作原理并没有清晰、完整和权威的描述。现代的、更坚固的结型和平面型晶体管依赖于半导体本体中的物理特性，而不是第一个晶体管中利用的表面效应。并且很少有人关注学术上的这种差距。 这是一个看起来很笨拙的锗、塑料和金箔的组合，顶部都有一个弯曲的弹簧。它的发明者是一位说话温和的中西部理论家John Bardeen，以及一位健谈且“ 有些反复无常”的实验家Walter Brattain。两人都在威廉·肖克利 (William Shockley) 手下工作，这段关系后来被证明是有争议的。1947 年 11 月，Bardeen 和 Brattain 遇到了一个简单的问题。在他们使用的锗半导体中，电子表面层似乎阻挡了施加的电场，阻止它穿透半导体并调节电流。这就使得没有调制，没有信号放大。 1947 年晚些时候，他们想出了一个解决方案。它的特点是两片几乎没有分开的金箔被弯曲的弹簧轻轻推入一小块锗的表面。 教科书和流行的说法都倾向于忽略点接触晶体管的机制，而倾向于解释其最近的后代是如何工作的。事实上，当前版本的本科电子工程圣经——The Art of Electronics by Horowitz and Hill——根本没有提到点接触晶体管，通过错误地指出结型晶体管是在1947年获得诺贝尔发明奖。但是1947年发明的晶体管是点接触的，结型晶体管由肖克利于 19 48年发明。 因此，在 1956 年约翰·巴丁 (John Bardeen) 的诺贝尔奖演讲中包含了对点接触晶体管最全面的解释，这在某种程度上似乎是恰当的 。即便如此，阅读它也会让您感觉到一些细节甚至连发明者自己也可能无法理解. “很多人对点接触晶体管感到困惑，”明尼苏达大学查尔斯巴贝奇科学技术史研究所前所长 Thomas Misa 说。 Bardeen 演讲一年后，后来继续在电力电子领域做开创性工作的加州理工学院电气工程教授 RD Middlebrook 写道：“由于器件的三维特性，理论分析很困难，内部操作事实上，还没有完全理解。” 尽管如此，借助 75 年的半导体理论，我们开始尝试解析一下吧。 点接触晶体管是围绕拇指大小的 n型锗板构建的，该板具有过量的带负电的电子。这块板经过处理后产生了一个非常薄的p型表面层，这意味着它具有过量的正电荷。这些正电荷被称为空穴。它们实际上是电子的局部缺陷，这些电子在半导体的原子之间移动，就像真实的粒子一样。电接地电极连接到该板的底部，形成晶体管的基极。接触表面的两条金箔又形成了两个电极，称为发射极和集电极。 这就是设置。在工作中，一个小的正电压——只有几分之一伏特——被施加到发射极，而一个更大的负电压——4 到 40 伏特——被施加到集电极，所有这些都是参考接地的基极。p型层和n型板之间的界面形成了一个结，就像在二极管中发现的结一样：本质上，结是一个势垒，允许电流仅在一个方向上轻松流动，即流向较低的电压。因此电流可以从正发射极流过势垒，而没有电流可以流过势垒进入集电极。

Western Electric Type-2点接触晶体管是第一个大批量生产的晶体管，1951 年，Western Electric 位于宾夕法尼亚州阿伦敦的工厂。到 1960 年，拍摄这张照片时，该工厂已转而生产结型晶体管.

现在，让我们看看原子之间发生了什么。首先，我们断开集电极（collector ），看看没有它的发射器周围会发生什么。发射极将正电荷（空穴）注入 p型层，它们开始向基极移动。但他们不会直奔它。薄层迫使它们在穿过势垒进入n型平板之前横向展开一段距离。考虑将少量细粉慢慢倒在水面上。粉末最终会下沉，但首先会散开成一个粗略的圆圈。 现在我们连接收集器。尽管它本身不能通过 p - n结的势垒吸收电流，但它的大负电压和尖锐的形状确实会导致集中电场穿透锗。因为集电极离发射极很近，而且也带负电，所以它开始吸收许多从发射极散开的空穴。这种电荷流导致空穴集中在p - n附近收集器下方的屏障。这种浓度有效地降低了势垒的“高度”，否则会阻止电流在集电极和基极之间流动。随着势垒降低，电流开始从基极流入集电极——比发射极流入晶体管的电流大得多。 电流量取决于势垒的高度。发射极电压的小幅下降或上升会分别导致势垒上下波动。因此，发射极电流的微小变化控制着集电极的巨大变化，瞧！放大。（电子工程师会注意到，与后来的晶体管相比，基极和发射极的功能是相反的，在后来的晶体管中，控制晶体管响应的是基极，而不是发射极。） 尽管它笨拙且脆弱，但它是一个半导体放大器，它的后代将改变世界。它的发明者知道这一点。决定性的一天是 1947 年 12 月 16 日，当时 Brattain 萌生了使用由一条金箔带束缚的塑料三角形的想法，那个微小的缝隙将发射极和集电极触点分开。这种配置提供了可靠的功率增益，两人当时就知道他们成功了。那天晚上在拼车回家时，Brattain告诉他的同伴他刚刚完成了“我一生中做过的最重要的实验”，并向他们发誓要保密。沉默寡言的Bardeen也忍不住分享了这个消息。据报道，当他的妻子Jane那天晚上准备晚餐时，他简单地说：“我们今天发现了一些东西” 随着他们的孩子在厨房里蹦蹦跳跳，她回答说：“很好，亲爱的。” 它终于变成了一个晶体管，但它非常摇摇晃晃。发明人后来想到了通过在晶体管制造过程中使大电流通过集电极来电气形成集电极的想法。这种技术使他们能够获得更大的电流，而电流并没有那么紧密地限制在表层内。不过，电气成型有点碰运气。“他们只会扔掉那些不起作用的，”Misa 指出。 尽管如此， 在 AT&T 的许可下，许多公司开始生产点接触晶体管，并于 1951 年在 AT&T 自己的制造部门 Western Electric 投入生产。它们被用于助听器、振荡器、电话路由设备、RCA 制造的实验性电视接收器、第一台机载数字计算机Tradic以及其他系统。事实上，点接触晶体管一直生产到 1966 年，部分原因是与替代品相比它们具有更高的速度。 贝尔实验室团队并不是唯一成功开发晶体管的团队。在巴黎东北郊区的 Aulnay-sous-Bois，两位德国物理学家 Herbert Mataré 和 Heinrich Welker 也在尝试建造一个三端半导体放大器。在 Westinghouse 的一家法国子公司工作时，他们正在跟进 Mataré在 1944 年为德国军方开发锗和硅整流器时所做的非常有趣的观察。两人于 1948 年 6 月成功制造出可靠的点接触晶体管。 大约一周后，当贝尔实验室在 1948 年 6 月 30 日的新闻发布会上终于透露了他们自己的晶体管的消息时，他们感到震惊。尽管它们是完全独立地秘密开发的，但这两种设备或多或少是相同的. 在这里，晶体管的故事发生了奇怪的转折，它的光彩令人叹为观止，但细节也令人不安。Bardeen 和 Brattain 的老板威廉·肖克利 (William Shockley)对晶体管的原始专利申请中只有Bardeen 和 Brattain 的名字感到愤怒。他确信Bardeen 和 Brattain 只是把他关于在半导体中使用场的理论编入他们的工作装置中，并没有给予他足够的信任。然而在 1945 年，肖克利基于这些理论制造了一个晶体管，但没有成功。

1953 年，RCA 工程师 Gerald Herzog 领导了一个团队，设计并制造了第一台“全晶体管”电视（虽然，是的，它有一个阴极射线管）。该团队使用了 RCA 在贝尔实验室许可下生产的点接触晶体管。

12 月底，在点接触晶体管取得初步成功后不到两周，肖克利前往芝加哥参加美国物理学会年会。新年前夕，他躲在旅馆房间里，在强烈的嫉妒和愤慨的驱使下，开始设计自己的晶体管。在三天内，他潦草地写了大约 30 页的笔记。到月底，他已经完成了后来被称为双极结型晶体管 (BJT) 的基本设计，这种晶体管最终将取代点接触晶体管，并在 70 年代末之前一直占据主导地位。

凭借从贝尔实验室的工作中收集到的见解，RCA 于 1948 年开始开发自己的点接触晶体管。该小组包括此处所示的七个——其中四个用于 RCA 于 1953 年制造的22晶体管电视机。这四个是TA153 [顶行，左数第二]，TA165 [顶，最右边]，TA156 [底行，中间] 和 TA172 [底，右]。

BJT 基于肖克利的信念，即电荷可以而且应该流过体半导体，而不是流过其表面的薄层。该 器件由三个半导体层组成，就像一个三明治：发射极、中间的基极和集电极。它们交替掺杂，因此有两个版本：n-型/ p-型/ n-型，称为“NPN”和p-型/ n-型/ p-型，称为“PNP”。 BJT 基本上依赖于与点接触相同的原理，但它使用两个 p - n结而不是一个。当用作放大器时，加在基极上的正电压允许小电流在它和发射极之间流动，这反过来控制集电极和发射极之间的大电流。 考虑一个 NPN 设备。底座是 p型的，所以有多余的孔。但它很薄，掺杂很轻，所以空穴相对较少。一小部分流入的电子与这些空穴结合并从循环中移除，而绝大多数（超过 97%）的电子继续流过薄基极并进入集电极，从而形成强大的电流。 但是那些与空穴结合的少数电子必须从基极中排出，以保持基极的 p型性质和通过它的强大电流。“俘获”电子的移除是通过相对较小的电流流过基极来实现的。电流的涓流使更强的电流流入集电极，然后流出集电极并进入集电极电路。因此，实际上，较小的基极电流正在控制较大的集电极电路。 电场开始发挥作用，但它们不会调节电流，而早期的理论家认为这种情况必须发生才能使这种设备发挥作用。要点如下：BJT 中的两个 p - n结都被耗尽区跨越，电子和空穴在耗尽区结合，移动电荷载流子相对较少。施加在结点上的电压在每个结点处建立电场，从而推动电荷穿过这些区域。这些场使电子能够从发射极一路流过基极，然后进入集电极。 在 BJT 中，“施加的电场会影响载流子密度，但由于这种效应是指数级的，因此只需一点点就能产生大量扩散电流，”哥伦比亚大学电气工程系主任 Ioannis “John” Kymissis 解释说。

最早的晶体管是一种称为点接触的类型，因为它们依赖于接触半导体表面的金属触点。他们通过使用施加的电压克服电荷流动的障碍来增加输出电流（在上图中标记为“集电极电流”）。输入或“发射极”电流的微小变化会调制此势垒，从而控制输出电流。

双极结型晶体管使用几乎相同的原理实现放大，但具有两个半导体界面或结，而不是一个。与点接触晶体管一样，施加的电压克服势垒并使电流流动，该电流由较小的输入电流调制。特别地，半导体结被耗尽区横跨，电荷载流子在电场的影响下扩散穿过耗尽区。

BJT 比点接触晶体管更坚固可靠，这些特性为它的伟大做好了准备。但这需要一段时间才能变得明显。BJT 是用于制造集成电路的技术，从 1960 年代初期的第一批一直到 70 年代后期，金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 开始流行。事实上，正是这些场效应晶体管，首先是结型场效应晶体管，然后是 MOSFET，才最终实现了几十年来基于场效应运行的三端半导体器件的梦想——肖克利最初的抱负。 在 20 世纪 50 年代初期几乎无法想象如此美好的未来，当时 AT&T 和其他公司正在努力想出实用而有效的方法来制造新的 BJT。肖克利本人继续将硅放入硅谷。他搬到了帕洛阿尔托，并于 1956 年创立了一家公司，引领电子半导体从锗到硅的转变。他公司的员工后来创立了 Fairchild Semiconductor，然后是英特尔。 在他生命的后期，由于糟糕的管理而失去了公司后，他成为了斯坦福大学的教授，并开始传播关于种族、遗传学和智力的毫无根据和精神错乱的理论。1951 年，巴丁离开贝尔实验室，成为伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的教授，在那里他因超导理论获得了第二次诺贝尔物理学奖。（他是唯一获得过两次诺贝尔物理学奖的人。）布拉顿一直在贝尔实验室工作，直到 1967 年，他在华盛顿州沃拉沃拉的惠特曼学院任教。 肖克利 (Shockley) 于 1989 年静静地去世。但他的晶体管将改变世界，尽管直到 1953 年，BJT 是否会成为未来仍不明朗。在当年的一次采访中， 十年后继续帮助建立 IEEE 的 Donald G. Fink 沉思道，“这是一个长满青春痘、现在笨拙但充满希望的未来活力的青少年吗？还是已经成熟，满是倦怠，被失望包围？” 是前者，我们所有人的生活都因此而变得更好。

编辑：黄飞