帶你走進第一個晶體管背後故事

當物理學家開始嘗試創造它的繼任者時，真空管三極管還不到 20 歲，而且賭注巨大。在當時，三極管不僅使長途電話和電影聲音成爲可能，它還推動了整個商業無線電行業的發展，這個行業在 1929 年價值超過 10 億美元。但是真空管耗電且脆弱。如果能找到一種更堅固、更可靠、更高效的三極管替代品，回報將是巨大的。

因此他們將目光投向了由半導體制成的三端設備，可以將低電流信號接收到輸入端子，並用它來控制在其他兩個端子之間流動的較大電流，從而放大原始信號。這種設備的基本原理是所謂的場效應——電場調節半導體材料導電性的能力。得益於二極管和對半導體的相關研究，場效應在當時已經廣爲人知。

但二十多年來，建造這樣一個設備對一些世界頂級物理學家來說是一個無法克服的挑戰。類晶體管設備的專利 從 1925 年開始申請，但（legendary point-contact ）第一個工作晶體管的記錄實例是 1947 年秋天在 AT&T 貝爾電話實驗室製造的傳奇點接觸設備。

在點接觸（point-contact）的剖視圖中，可以看到兩個細導體；這些連接到與一小塊鍺接觸的點。這些點之一是發射極，另一個是集電極。第三個觸點，即基極，連接到鍺的反面。

儘管點接觸（point-contact）晶體管是 20 世紀最重要的發明，但令人驚訝的是，人們對於它的實際工作原理並沒有清晰、完整和權威的描述。現代的、更堅固的結型和平面型晶體管依賴於半導體本體中的物理特性，而不是第一個晶體管中利用的表面效應。並且很少有人關注學術上的這種差距。

這是一個看起來很笨拙的鍺、塑料和金箔的組合，頂部都有一個彎曲的彈簧。它的發明者是一位說話溫和的中西部理論家John Bardeen，以及一位健談且“ 有些反覆無常”的實驗家Walter Brattain。兩人都在威廉·肖克利 (William Shockley) 手下工作，這段關係後來被證明是有爭議的。1947 年 11 月，Bardeen 和 Brattain 遇到了一個簡單的問題。在他們使用的鍺半導體中，電子錶面層似乎阻擋了施加的電場，阻止它穿透半導體並調節電流。這就使得沒有調製，沒有信號放大。

1947 年晚些時候，他們想出了一個解決方案。它的特點是兩片幾乎沒有分開的金箔被彎曲的彈簧輕輕推入一小塊鍺的表面。

教科書和流行的說法都傾向於忽略點接觸晶體管的機制，而傾向於解釋其最近的後代是如何工作的。事實上，當前版本的本科電子工程聖經——The Art of Electronics by Horowitz and Hill——根本沒有提到點接觸晶體管，通過錯誤地指出結型晶體管是在1947年獲得諾貝爾發明獎。但是1947年發明的晶體管是點接觸的，結型晶體管由肖克利於 19 48年發明。

因此，在 1956 年約翰·巴丁 (John Bardeen) 的諾貝爾獎演講中包含了對點接觸晶體管最全面的解釋，這在某種程度上似乎是恰當的 。即便如此，閱讀它也會讓您感覺到一些細節甚至連發明者自己也可能無法理解. “很多人對點接觸晶體管感到困惑，”明尼蘇達大學查爾斯巴貝奇科學技術史研究所前所長 Thomas Misa 說。

Bardeen 演講一年後，後來繼續在電力電子領域做開創性工作的加州理工學院電氣工程教授 RD Middlebrook 寫道：“由於器件的三維特性，理論分析很困難，內部操作事實上，還沒有完全理解。”

儘管如此，藉助 75 年的半導體理論，我們開始嘗試解析一下吧。

點接觸晶體管是圍繞拇指大小的 n型鍺板構建的，該板具有過量的帶負電的電子。這塊板經過處理後產生了一個非常薄的p型表面層，這意味着它具有過量的正電荷。這些正電荷被稱爲空穴。它們實際上是電子的局部缺陷，這些電子在半導體的原子之間移動，就像真實的粒子一樣。電接地電極連接到該板的底部，形成晶體管的基極。接觸表面的兩條金箔又形成了兩個電極，稱爲發射極和集電極。

這就是設置。在工作中，一個小的正電壓——只有幾分之一伏特——被施加到發射極，而一個更大的負電壓——4 到 40 伏特——被施加到集電極，所有這些都是參考接地的基極。p型層和n型板之間的界面形成了一個結，就像在二極管中發現的結一樣：本質上，結是一個勢壘，允許電流僅在一個方向上輕鬆流動，即流向較低的電壓。因此電流可以從正發射極流過勢壘，而沒有電流可以流過勢壘進入集電極。

Western Electric Type-2點接觸晶體管是第一個大批量生產的晶體管，1951 年，Western Electric 位於賓夕法尼亞州阿倫敦的工廠。到 1960 年，拍攝這張照片時，該工廠已轉而生產結型晶體管.

現在，讓我們看看原子之間發生了什麼。首先，我們斷開集電極（collector ），看看沒有它的發射器周圍會發生什麼。發射極將正電荷（空穴）注入 p型層，它們開始向基極移動。但他們不會直奔它。薄層迫使它們在穿過勢壘進入n型平板之前橫向展開一段距離。考慮將少量細粉慢慢倒在水面上。粉末最終會下沉，但首先會散開成一個粗略的圓圈。

現在我們連接收集器。儘管它本身不能通過 p - n結的勢壘吸收電流，但它的大負電壓和尖銳的形狀確實會導致集中電場穿透鍺。因爲集電極離發射極很近，而且也帶負電，所以它開始吸收許多從發射極散開的空穴。這種電荷流導致空穴集中在p - n附近收集器下方的屏障。這種濃度有效地降低了勢壘的“高度”，否則會阻止電流在集電極和基極之間流動。隨着勢壘降低，電流開始從基極流入集電極——比發射極流入晶體管的電流大得多。

電流量取決於勢壘的高度。發射極電壓的小幅下降或上升會分別導致勢壘上下波動。因此，發射極電流的微小變化控制着集電極的巨大變化，瞧！放大。（電子工程師會注意到，與後來的晶體管相比，基極和發射極的功能是相反的，在後來的晶體管中，控制晶體管響應的是基極，而不是發射極。）

儘管它笨拙且脆弱，但它是一個半導體放大器，它的後代將改變世界。它的發明者知道這一點。決定性的一天是 1947 年 12 月 16 日，當時 Brattain 萌生了使用由一條金箔帶束縛的塑料三角形的想法，那個微小的縫隙將發射極和集電極觸點分開。這種配置提供了可靠的功率增益，兩人當時就知道他們成功了。那天晚上在拼車回家時，Brattain告訴他的同伴他剛剛完成了“我一生中做過的最重要的實驗”，並向他們發誓要保密。沉默寡言的Bardeen也忍不住分享了這個消息。據報道，當他的妻子Jane那天晚上準備晚餐時，他簡單地說：“我們今天發現了一些東西” 隨着他們的孩子在廚房裡蹦蹦跳跳，她回答說：“很好，親愛的。”

它終於變成了一個晶體管，但它非常搖搖晃晃。發明人後來想到了通過在晶體管制造過程中使大電流通過集電極來電氣形成集電極的想法。這種技術使他們能夠獲得更大的電流，而電流並沒有那麼緊密地限制在表層內。不過，電氣成型有點碰運氣。“他們只會扔掉那些不起作用的，”Misa 指出。

儘管如此， 在 AT&T 的許可下，許多公司開始生產點接觸晶體管，並於 1951 年在 AT&T 自己的製造部門 Western Electric 投入生產。它們被用於助聽器、振盪器、電話路由設備、RCA 製造的實驗性電視接收器、第一臺機載數字計算機Tradic以及其他系統。事實上，點接觸晶體管一直生產到 1966 年，部分原因是與替代品相比它們具有更高的速度。

貝爾實驗室團隊並不是唯一成功開發晶體管的團隊。在巴黎東北郊區的 Aulnay-sous-Bois，兩位德國物理學家 Herbert Mataré 和 Heinrich Welker 也在嘗試建造一個三端半導體放大器。在 Westinghouse 的一家法國子公司工作時，他們正在跟進 Mataré在 1944 年爲德國軍方開發鍺和硅整流器時所做的非常有趣的觀察。兩人於 1948 年 6 月成功製造出可靠的點接觸晶體管。

大約一週後，當貝爾實驗室在 1948 年 6 月 30 日的新聞發佈會上終於透露了他們自己的晶體管的消息時，他們感到震驚。儘管它們是完全獨立地秘密開發的，但這兩種設備或多或少是相同的.

在這裡，晶體管的故事發生了奇怪的轉折，它的光彩令人歎爲觀止，但細節也令人不安。Bardeen 和 Brattain 的老闆威廉·肖克利 (William Shockley)對晶體管的原始專利申請中只有Bardeen 和 Brattain 的名字感到憤怒。他確信Bardeen 和 Brattain 只是把他關於在半導體中使用場的理論編入他們的工作裝置中，並沒有給予他足夠的信任。然而在 1945 年，肖克利基於這些理論製造了一個晶體管，但沒有成功。

1953 年，RCA 工程師 Gerald Herzog 領導了一個團隊，設計並製造了第一臺“全晶體管”電視（雖然，是的，它有一個陰極射線管）。該團隊使用了 RCA 在貝爾實驗室許可下生產的點接觸晶體管。

12 月底，在點接觸晶體管取得初步成功後不到兩週，肖克利前往芝加哥參加美國物理學會年會。新年前夕，他躲在旅館房間裡，在強烈的嫉妒和憤慨的驅使下，開始設計自己的晶體管。在三天內，他潦草地寫了大約 30 頁的筆記。到月底，他已經完成了後來被稱爲雙極結型晶體管 (BJT) 的基本設計，這種晶體管最終將取代點接觸晶體管，並在 70 年代末之前一直佔據主導地位。

憑藉從貝爾實驗室的工作中收集到的見解，RCA 於 1948 年開始開發自己的點接觸晶體管。該小組包括此處所示的七個——其中四個用於 RCA 於 1953 年製造的22晶體管電視機。這四個是TA153 [頂行，左數第二]，TA165 [頂，最右邊]，TA156 [底行，中間] 和 TA172 [底，右]。

BJT 基於肖克利的信念，即電荷可以而且應該流過體半導體，而不是流過其表面的薄層。該 器件由三個半導體層組成，就像一個三明治：發射極、中間的基極和集電極。它們交替摻雜，因此有兩個版本：n-型/ p-型/ n-型，稱爲“NPN”和p-型/ n-型/ p-型，稱爲“PNP”。

BJT 基本上依賴於與點接觸相同的原理，但它使用兩個 p - n結而不是一個。當用作放大器時，加在基極上的正電壓允許小電流在它和發射極之間流動，這反過來控制集電極和發射極之間的大電流。

考慮一個 NPN 設備。底座是 p型的，所以有多餘的孔。但它很薄，摻雜很輕，所以空穴相對較少。一小部分流入的電子與這些空穴結合並從循環中移除，而絕大多數（超過 97%）的電子繼續流過薄基極並進入集電極，從而形成強大的電流。

但是那些與空穴結合的少數電子必須從基極中排出，以保持基極的 p型性質和通過它的強大電流。“俘獲”電子的移除是通過相對較小的電流流過基極來實現的。電流的涓流使更強的電流流入集電極，然後流出集電極並進入集電極電路。因此，實際上，較小的基極電流正在控制較大的集電極電路。

電場開始發揮作用，但它們不會調節電流，而早期的理論家認爲這種情況必須發生才能使這種設備發揮作用。要點如下：BJT 中的兩個 p - n結都被耗盡區跨越，電子和空穴在耗盡區結合，移動電荷載流子相對較少。施加在結點上的電壓在每個結點處建立電場，從而推動電荷穿過這些區域。這些場使電子能夠從發射極一路流過基極，然後進入集電極。

在 BJT 中，“施加的電場會影響載流子密度，但由於這種效應是指數級的，因此只需一點點就能產生大量擴散電流，”哥倫比亞大學電氣工程系主任 Ioannis “John” Kymissis 解釋說。

最早的晶體管是一種稱爲點接觸的類型，因爲它們依賴於接觸半導體表面的金屬觸點。他們通過使用施加的電壓克服電荷流動的障礙來增加輸出電流（在上圖中標記爲“集電極電流”）。輸入或“發射極”電流的微小變化會調製此勢壘，從而控制輸出電流。

雙極結型晶體管使用幾乎相同的原理實現放大，但具有兩個半導體界面或結，而不是一個。與點接觸晶體管一樣，施加的電壓克服勢壘並使電流流動，該電流由較小的輸入電流調製。特別地，半導體結被耗盡區橫跨，電荷載流子在電場的影響下擴散穿過耗盡區。

BJT 比點接觸晶體管更堅固可靠，這些特性爲它的偉大做好了準備。但這需要一段時間才能變得明顯。BJT 是用於製造集成電路的技術，從 1960 年代初期的第一批一直到 70 年代後期，金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 開始流行。事實上，正是這些場效應晶體管，首先是結型場效應晶體管，然後是 MOSFET，才最終實現了幾十年來基於場效應運行的三端半導體器件的夢想——肖克利最初的抱負。

在 20 世紀 50 年代初期幾乎無法想象如此美好的未來，當時 AT&T 和其他公司正在努力想出實用而有效的方法來製造新的 BJT。肖克利本人繼續將硅放入硅谷。他搬到了帕洛阿爾託，並於 1956 年創立了一家公司，引領電子半導體從鍺到硅的轉變。他公司的員工後來創立了 Fairchild Semiconductor，然後是英特爾。

在他生命的後期，由於糟糕的管理而失去了公司後，他成爲了斯坦福大學的教授，並開始傳播關於種族、遺傳學和智力的毫無根據和精神錯亂的理論。1951 年，巴丁離開貝爾實驗室，成爲伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的教授，在那裡他因超導理論獲得了第二次諾貝爾物理學獎。（他是唯一獲得過兩次諾貝爾物理學獎的人。）布拉頓一直在貝爾實驗室工作，直到 1967 年，他在華盛頓州沃拉沃拉的惠特曼學院任教。

肖克利 (Shockley) 於 1989 年靜靜地去世。但他的晶體管將改變世界，儘管直到 1953 年，BJT 是否會成爲未來仍不明朗。在當年的一次採訪中， 十年後繼續幫助建立 IEEE 的 Donald G. Fink 沉思道，“這是一個長滿青春痘、現在笨拙但充滿希望的未來活力的青少年嗎？還是已經成熟，滿是倦怠，被失望包圍？”

是前者，我們所有人的生活都因此而變得更好。

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