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晶體管的歷史

發(fā)布時(shí)間: 2012/9/10 17:45:33

　　1947年12月，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組，研制出一種點(diǎn)接觸型的鍺晶體管。晶體管的問(wèn)世，是20世紀(jì)的一項(xiàng)重大發(fā)明，是微電子革命的先聲。晶體管出現(xiàn)后，人們就能用一個(gè)小巧的、消耗功率低的電子器件，來(lái)代替體積大、功率消耗大的電子管了。晶體管的發(fā)明又為后來(lái)集成電路的降生吹響了號(hào)角。

電力晶體管

20世紀(jì)最初的10年，通信系統(tǒng)已開(kāi)始應(yīng)用半導(dǎo)體材料。20世紀(jì)上半葉，在無(wú)線電愛(ài)好者中廣泛流行的礦石收音機(jī)，就采用礦石這種半導(dǎo)體材料進(jìn)行檢波。半導(dǎo)體的電學(xué)特性也在電話系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。

晶體管的發(fā)明，最早可以追溯到1929年，當(dāng)時(shí)工程師利蓮費(fèi)爾德就已經(jīng)取得一種晶體管的專利。但是，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，制造這種器件的材料達(dá)不到足夠的純度，而使這種晶體管無(wú)法制造出來(lái)。

由于電子管處理高頻信號(hào)的效果不理想，人們就設(shè)法改進(jìn)礦石收音機(jī)中所用的礦石觸須式檢波器。在這種檢波器里，有一根與礦石（半導(dǎo)體）表面相接觸的金屬絲（像頭發(fā)一樣細(xì)且能形成檢波接點(diǎn)），它既能讓信號(hào)電流沿一個(gè)方向流動(dòng)，又能阻止信號(hào)電流朝相反方向流動(dòng)。在第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前夕，貝爾實(shí)驗(yàn)室在尋找比早期使用的方鉛礦晶體性能更好的檢波材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)摻有某種極微量雜質(zhì)的鍺晶體的性能不僅優(yōu)于礦石晶體，而且在某些方面比電子管整流器還要好。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，不少實(shí)驗(yàn)室在有關(guān)硅和鍺材料的制造和理論研究方面，也取得了不少成績(jī)，這就為晶體管的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。

為了克服電子管的局限性，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，貝爾實(shí)驗(yàn)室加緊了對(duì)固體電子器件的基礎(chǔ)研究。肖克萊等人決定集中研究硅、鍺等半導(dǎo)體材料，探討用半導(dǎo)體材料制作放大器件的可能性。

1945年秋天，貝爾實(shí)驗(yàn)室成立了以肖克萊為首的半導(dǎo)體研究小組，成員有布拉頓、巴丁等人。布拉頓早在1929年就開(kāi)始在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室工作，長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體的研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。他們經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)和觀察，逐步認(rèn)識(shí)到半導(dǎo)體中電流放大效應(yīng)產(chǎn)生的原因。布拉頓發(fā)現(xiàn)，在鍺片的底面接上電極，在另一面插上細(xì)針并通上電流，然后讓另一根細(xì)針盡量靠近它，并通上微弱的電流，這樣就會(huì)使原來(lái)的電流產(chǎn)生很大的變化。微弱電流少量的變化，會(huì)對(duì)另外的電流產(chǎn)生很大的影響，這就是“放大”作用。

布拉頓等人，還想出有效的辦法，來(lái)實(shí)現(xiàn)這種放大效應(yīng)。他們?cè)诎l(fā)射極和基極之間輸入一個(gè)弱信號(hào)，在集電極和基極之間的輸出端，就放大為一個(gè)強(qiáng)信號(hào)了。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，上述晶體三極管的放大效應(yīng)得到廣泛的應(yīng)用。

巴丁和布拉頓最初制成的固體器件的放大倍數(shù)為50左右。不久之后，他們利用兩個(gè)靠得很近(相距0.05毫米)的觸須接點(diǎn)，來(lái)代替金箔接點(diǎn)，制造了“點(diǎn)接觸型晶體管”。1947年12月，這個(gè)世界上最早的實(shí)用半導(dǎo)體器件終于問(wèn)世了，在首次試驗(yàn)時(shí)，它能把音頻信號(hào)放大100倍，它的外形比火柴棍短，但要粗一些。

在為這種器件命名時(shí)，布拉頓想到它的電阻變換特性，即它是靠一種從“低電阻輸入”到“高電阻輸出”的轉(zhuǎn)移電流來(lái)工作的，于是取名為trans-resister(轉(zhuǎn)換電阻)，后來(lái)縮寫(xiě)為transistor，中文譯名就是晶體管。

由于點(diǎn)接觸型晶體管制造工藝復(fù)雜，致使許多產(chǎn)品出現(xiàn)故障，它還存在噪聲大、在功率大時(shí)難于控制、適用范圍窄等缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn)，肖克萊提出了用一種“整流結(jié)”來(lái)代替金屬半導(dǎo)體接點(diǎn)的大膽設(shè)想。半導(dǎo)體研究小組又提出了這種半導(dǎo)體器件的工作原理。

1950年，第一只“PN結(jié)型晶體管”問(wèn)世了，它的性能與肖克萊原來(lái)設(shè)想的完全一致。今天的晶體管，大部分仍是這種PN結(jié)型晶體管。(所謂PN結(jié)就是P型和N型的結(jié)合處。P型多空穴。N型多電子。)

1956年，肖克利、巴丁、布拉頓三人，因發(fā)明晶體管同時(shí)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
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