晶體管是如何工作的？

發(fā)明者自己也不清楚……

這真的沒開玩笑。

這兩天IEEE Spectrum發(fā)布一篇文章，關于晶體管誕生始末，其中披露：當年科學家確實僅僅實現(xiàn)電路定向導通效果，就對外公布了成果。

甚至十年過去，相關貢獻者已憑此拿下諾貝爾物理獎，圈內研究者仍表示：

由于器件的三維特性，對其內部進行理論分析仍很困難。

更有意思的是，該文章還曝光一段上下級反目的精彩內幕：

兩位下屬申請專利沒帶上領導，后者帶著憤怒和嫉妒，在短短幾個月就發(fā)明出全新結構，替代前者成果并主導此后30年的晶體管發(fā)展。

這究竟是怎樣一段往事？

又如何影響到我們當下生活？

今天不妨結合更多資料，回溯一下。

    點接觸晶體管到BJT

晶體管誕生前，電子設備廣泛使用的是電子管（也稱真空管）。

其原理發(fā)現(xiàn)始于發(fā)明大王愛迪生在1880年一次實驗，他給燈泡多放了一個電極，并灑了些箔片，他發(fā)現(xiàn)，在燈泡通電情況下，第三極通正電，箔片并無反應，但第三極通負電時，箔片會漂浮起來。

該現(xiàn)象被歐文?理查森總結為：

高溫真空環(huán)境下，電路陰極會釋放電子到陽極，由此產(chǎn)生電流，反向則不會。這當中，真空環(huán)境內分子密度小，相撞產(chǎn)生阻力小得多，電子自然更易運動。

此后的1904年，英國科學家約翰?弗萊明依據(jù)上述原理，發(fā)明了世界上第一個真空二極管，也稱電子管。

進一步，科學家們在陰極陽極之間添加一個柵極，利用同行電荷相斥，改變電子通過柵極流量，能夠起到放大作用。由此，三極管誕生。

電子管發(fā)明后，被廣泛應用于無線電通信、電話、廣播、電視、計算機等領域，僅1929年，產(chǎn)業(yè)規(guī)模就超過10億美金。人類歷史上第一臺計算機ENIAC中就使用了17468根電子管。

直到20世紀50年代，絕大部分電子設備仍在使用電子管，此外，如果從其他材料及原理角度發(fā)明新產(chǎn)品替代它又充滿了風險與不確定性，只有少量技術從業(yè)者在該方向探索。

這其中，就包括了美國AT&T貝爾實驗室的威廉?肖克利（William Shockley），這個名字可謂耳熟能詳，還有其手下約翰?巴?。↗ohn Bardeen）和沃爾特?布拉頓（Walter Brattain）。

他們的新發(fā)現(xiàn)確實始于一次偶然。

1947年11月，巴丁和布拉頓在實驗中遇到一個奇怪現(xiàn)象：

他們所使用的鍺半導體上，電子表面層似乎會阻擋施加的電場，不讓其穿透半導體并調節(jié)電流。

盡管他們沒弄明白其中原理，但到12月，這二位已摸索到一個實現(xiàn)方案：

將兩片相隔極小的金箔固定在一個塑料三角上，該部分連著一根彈簧，下方為半導體鍺，兩片金箔作為兩個電極，與半導體材料輕輕接觸。

由此，就能實現(xiàn)類似電子管的定向導通效果。

這是世界上第一枚點接觸式晶體管的原型，鑒于晶體管工作依賴于半導體材料特殊的導通性質，半導體時代也由此拉開帷幕。

盡管當時科學家們未能清晰完整地將背后原理說清，一些教科書直接忽略了點接觸式晶體管介紹，但它的確是史上首個晶體管。

后來，研究者們逐漸揭開其中奧秘。

具體來說，這種晶體管基于拇指大小的N型鍺板構建，其上帶有過量的負電電子，經(jīng)處理，表面會有一層薄薄的P層，上面帶過量正電荷，底部接地。

與鍺板接觸兩個電極中，一個帶不超過1V正電壓，另一個帶4-40V負電壓，當通電后，電子從負電壓一極流向正極，電流反向流動。反之，如若施加較大正電壓及較小負電壓，那整個系統(tǒng)由于同性電荷相斥，將不導通。

相比電子管，點接觸晶體管優(yōu)勢在于耗能低，無需考慮加熱電極耗散問題，且無需真空環(huán)境，器件使用中不易損壞。

當然，相比今天的芯片，它既笨重也簡陋，透著一股廉價觀感。

但當1948年6月30日，貝爾實驗室對外透露了該成果時，它毫無懸念地震動了業(yè)界。

很快， AT&T旗下的制造部門Western Electric開始量產(chǎn)這種晶體管，它被廣泛應用于電話路由設備、電路振蕩器、助聽器、電視信號接收器。

新發(fā)明迅速被應用到了前沿軍事與計算領域。歷史上首臺晶體管計算機誕生于1954年，是美國空軍的機載計算機器Tradic。

其內部大量應用了點觸式晶體管，其運行功耗不超過100w，體積不超1立方米，相比占地一整個庫房的ENIAC，自然能稱得上「SUPER COMPUTER」。

今天我們很少接觸點觸式晶體管，因為它剛發(fā)明就被迅速替代，這當中，跟晶體管發(fā)明者巴丁、布拉頓及上司肖克利一段恩怨有關。

由于在申請接觸式晶體管專利中，兩位屬下沒帶上老板肖克利，他為此感到不滿并帶著怨念，不到半年時間，他就設計出了全新結構的雙極結型晶體管（BJT）。

BJT原理與點接觸式相同，但結構大不一樣。它自帶兩個PN結，向外有發(fā)射極、集電極、基極三個極點。

以NPN結構晶體管為例，在發(fā)射極和基極之間接一個較小電壓，再在基極和集電極之間接一個較大電壓，通電后，少量電子填入中間空穴，更多電子會從低壓的發(fā)射極（E極）向集電極（C極）流動。

這樣一來，也就實現(xiàn)了定向放大器功效。

從結構就能看出，BJT 晶體管結構簡單，更穩(wěn)定可靠。

這種設計迅速取代了原先點接觸式晶體管，并占據(jù)主導長達30年，其簡單的結構又為集成電路誕生奠定了基礎。

直到后來CMOS（金屬氧化物場效應管）的出現(xiàn)，又是一段后話了。

值得留意的是，BJT結構與JFET場效應管看起來相似，都有三極，但兩者原理大有不同。BJT是一種雙極晶體管，當中涉及多數(shù)和少數(shù)兩路載流子流動，JFET三極為源極柵極漏極，且是一種單極晶體管。

    晶體管誕生后的發(fā)明者們

晶體管的發(fā)明在人類歷史上勢必成為標志性事件，1956年的諾貝爾獎頒給了前面所說的三人，讓我們重新回顧一下他們的名字：

威廉?肖克利、約翰?巴丁和沃爾特?布拉頓。

晶體管發(fā)明后，布拉頓因與肖克利不和（之前也能看出來），轉而進入貝爾實驗室另一個小組，基于半導體材料表面特性研究晶體管。

1967年，他離開貝爾實驗室，前往惠特曼學院擔任兼職教授，撰寫過多篇固體物理學文章。

值得補充的是，布拉頓父親曾前往中國一家私立學校任老師，因而，他的出生地是中國福建省廈門市同安縣，1歲隨父母返美。

巴丁也因與肖克利無法共事，后前往伊利諾大學香檳分校電機學院和物理學院擔任教授，并因超導理論方面的貢獻于1972年第二次獲得諾貝爾物理學獎。

三人中，肖克利走得更遠，其名字也更為人熟知。

1956年，他來到加州舊金山的灣區(qū)西南部，創(chuàng)立了與自己同名的「肖克利半導體實驗室」，立志將半導體從鍺時代帶入硅時代。

他手下八位員工們后來成為更具傳奇性的人物，其中包括了仙童、英特爾等企業(yè)創(chuàng)始人。

從那時起，硅谷乃至整個IT行業(yè)的傳奇被開啟，并延續(xù)至今。

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