第一个晶体管及其工作原理

它是才华和雄心的产物。

真空三极管诞生不到20年时，物理学家就开始了开发真空三极管接替者的尝试，这种尝试风险巨大。因为三极管不仅使长途电话和电影声音成为可能，还推动了整个商业无线电事业的发展，1929年，这个行业的价值超过10亿美元。但是真空管耗电量大且极易受损，如果能找到一种更加坚固、可靠和高效的三极管替代品，回报也将是巨大的。因此，研究人员将目光投向了一种由半导体制成的三端器件，它可以将低功率信号输入一个输入端，并用它来控制另两个端之间的大电流，从而放大原始信号。这种器件的基本原理称为“场效应”，描述的是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。不过20多年过去，制造这样一款器件对一些世界顶级物理学家来说仍是一个难以克服的挑战。从1925年开始，人们就提交了类晶体管器件的专利申请，但第一个有记录的可用晶体管是1947年底美国电话电报公司贝尔电话实验室制造的传奇般的点接触式器件。虽然点接触式晶体管是20世纪最重要的发明，但令人惊讶的是，对于它的实际工作原理却没有清晰、完整和权威的解释。现代更坚固的结型晶体管和平面晶体管依赖的是半导体主体的物理特性，而不是第一个晶体管所利用的表面效应。在学术上，对这种差距的关注相当少。点接触式晶体管是一个看起来很笨拙的锗、塑料和金箔的组合，顶部有一个弯曲的弹簧。它的发明者是说话温和的中西部理论家约翰•巴丁（John Bardeen）和健谈但“情绪有点反复无常”的实验主义者沃尔特•布拉顿（Walter Brattain）。两人都曾在威廉•肖克利（William Shockley）手下工作，但后来他们出现了不和。1947年11月，一个简单的问题难住了巴丁和布拉顿。在他们使用的锗半导体中，表面的电子层似乎阻挡了外加电场，阻止它穿透半导体和调节电流。没有调制，就无法放大信号。1947年末，他们突然想到了一个解决办法，使用弯曲的弹簧轻轻地将两片几乎分不开的金箔推到了小锗板的表面。教科书和大众报道都倾向于忽略点接触式晶体管的机制，选择解释其新近后代的工作原理。霍洛维茨（Horowitz）和希尔（Hill）合著的《电子学的艺术》是电子工程本科生的圣经，但实际上，这本书的当前版本根本没有提到点接触式晶体管，并错误地宣称结型晶体管是“1947年诺贝尔奖获奖发明”，从而掩盖了点接触式晶体管的存在。但1947年发明的晶体管是点接触式晶体管；1948年肖克利才发明了结型晶体管。因此，1956年约翰•巴丁的诺贝尔奖演讲是对点接触式晶体管的最全面的解释，这似乎是合理的。即便如此，我们在阅读这篇演讲内容时也会感到，即便是发明者自己也可能对一些细节不理解。明尼苏达大学查尔斯•巴贝奇科学技术史研究所前所长托马斯•米萨（Thomas Misa）说：“点接触式晶体管令很多人感到困惑。”

事实上，在巴丁演讲后的第二年，在电力电子领域持续致力于开创性工作的加州理工学院电气工程学教授R.D.米德尔布鲁克（R.D. Middlebrook）写道：“由于该器件的三维特性，理论分析很困难，而且实际上，我们也尚未完全理解它的内部操作。”尽管如此，我们仍然可以借助发展了75年的半导体理论来尝试解释。点接触式晶体管是围绕一块拇指大小、带有过多负电荷电子的n型锗板构建的。这块锗板经过处理，会产生一个非常薄的p型表面层，这意味着它有过多的正电荷。这些正电荷称为“空穴”。它们实际上是在半导体原子之间移动的电子留下的局部空位，就像真正的粒子一样。锗板底部与电接地的电极连接，形成了晶体管的基极。接触表面的两条金箔形成了另外两个电极，被称为“发射极”和“集电极”。以上就是其内部布局。在操作过程中，对发射极施加不到1伏特的少量正电压，对集电极施加更大的4到40伏特负电压，均需参考接地的基极。p型层和n型板之间的界面形成了一个结，就像二极管中的结一样：本质上，结是一个势垒，只允许电流朝着较低的电压方向流动。因此，电流可以从正极发射极流过势垒，却没有电流可以流过势垒进入集电极。现在，再看看原子之间的情况。首先，我们会断开集电极，看看没有它时发射极周围会出现什么情况。发射极将正电荷（空穴）注入p型层，然后正电荷开始向基极移动,但不会沿直线移动。p型薄层会迫使它们在穿过势垒进入n型板之前向侧边散开一段距离。想象一下慢慢把少量细粉倒在水面上，粉末最终会下沉，但首先会呈圆形散开。现在我们连接集电极。虽然它本身不能通过p-n结的势垒吸收电流，但它较大的负电压和尖角形状确实会产生能够穿透锗的集中电场。集电极离发射极很近，而且带负电，所以它会开始吸收许多从发射极扩散开来的空穴。这种电荷流会导致集电极下p-n结势垒附近的空穴发生集中。这种集中能有效降低势垒的“高度”,否则势垒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，且比发射极流入晶体管的电流大得多。电流的大小取决于势垒的高度。发射极电压的小幅下降或上升会导致势垒上下波动。因此，发射极电流的微小变化即可控制集电极的巨大变化，所以就出现了放大。（电子工程师们会注意到，与后来的晶体管相比，基极与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非发射极。）它笨拙且脆弱，却是一个半导体放大器，而且它的后代将改变世界，其发明者也知道这一点。1947年12月16日是决定性的一天，布拉顿想到了一个办法，用一条金箔带系住三角形塑料，微小的缝隙可以将发射极和集电极触点分开。这种配置带来了可靠的功率增益，巴丁和布拉顿知道他们成功了。那天晚上，布拉顿在拼车回家的路上告诉同伴，他刚刚完成了“一生中最重要的实验”，并让他们发誓保守秘密。沉默寡言的巴丁也忍不住分享了这个消息。据说，那天晚上，他在妻子简准备晚餐时简单地说了一句:“我们今天有些发现。”孩子们在厨房里蹦蹦跳跳，妻子回答说:“太好了，亲爱的。”晶体管终于出现了，但相当不结实。发明者后来想到了在晶体管制造过程中通过大电流实现电成型集电极的想法。借助这项技术，他们能够获得更大的电流，而不是被严格限制在表面层内的电流。不过，电成型有点碰运气。“他们会扔掉那些不起作用的。”米萨指出。尽管如此，在美国电话电报公司的许可下，许多公司还是投产了点接触式晶体管，1951年，美国电话电报公司自己的制造部门西部电气也开始了生产。点接触式晶体管被用于助听器、振荡器、电话路由设备、美国无线电公司（RCA）制造的实验性电视接收器，以及第一台机载数字计算机Tradic等系统。事实上，点接触式晶体管直到1966 年还在生产，部分原因是与替代品相比，它的速度更快。

贝尔实验室团队并不是唯一成功研发晶体管的团队。在巴黎东北部郊区的欧奈苏布瓦市，赫伯特•马塔雷（Herbert Mataré）和海因里希•韦尔克（Heinrich Welker）两位德国物理学家也在尝试制造三端半导体放大器。在为西屋公司的一家法国子公司工作时，他们继续了马塔雷在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。1948年6月，两人成功制造出一种可靠的点接触式晶体管。大约一个星期后，贝尔实验室终于在1948年6月30日的新闻发布会上公布了研发点接触式晶体管的消息，这令马塔雷和韦尔克大吃一惊。因为虽然这两款器件是在完全独立和秘密状态下开发的，但却几乎完全相同。

晶体管的故事在此处发生了不寻常的转折，其精妙设计令人惊叹，其细节也给人带来了烦恼。巴丁和布拉顿的老板威廉•肖克利非常愤怒，因为他的名字没有出现在巴丁和布拉顿的晶体管原始专利申请书中。他确信巴丁和布拉顿将他关于半导体场应用的理论用在了他们的工作器件中，却没有计算他的功劳。肖克利曾在1945年基于这些理论制造过一款晶体管，但没有成功。1947年12月底，在点接触式晶体管取得初步成功不到两周后，肖克利前往芝加哥参加美国物理学会年会。新年前夕，他躲在酒店房间里，在嫉妒和愤怒情绪的强烈驱使下，开始设计自己的晶体管。他在3天的时间里写了大约30页笔记。月底时，他就完成了双极结型晶体管（BJT）的基本设计，这种晶体管最终取代了点接触式晶体管，并在20世纪70年代末之前一直占据主导地位。双极结型晶体管以肖克利深信的观点为基础，即电荷可以而且应该流经块状半导体，而不是流经其表面的薄层。该器件由三明治一样的3个半导体层组成：发射器、中间的基极，以及集电极。它们交替掺杂，因此有两个版本：称为NPN的n型/p型/n型，以及称为PNP的p型/n型/p型。双极结型晶体管依赖的原理与点接触式晶体管基本相同，但它使用了两个p-n结而非一个。用作放大器时，施加给基极的正电压允许小电流在基极和发射极之间流动，这反过来控制了集电极和发射极间的大电流。以NPN器件为例。基极是p型，所以有多余的空穴。但是它很薄，且掺杂较轻，所以空穴相对较少。极小一部分的流入电子与这些空穴结合，并从循环中移除，绝大部分（超过97%）电子则继续流经薄薄的基极，进入集电极，形成强大的电流。

那些与空穴结合的少数电子必须从基极排出，才能保持其p型性质，并承载通过它的强电流。移除“被俘获”的电子是通过流出基极的相对较小的电流来实现的。涓涓细流使更强的电流流入集电极。因此，实际上，小基极电流控制着高功率集电极电路。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，这种器件要发挥作用，就必须调节电流。其中的要点是：耗尽区跨越了双极结型晶体管的两个p-n结，电子和空穴在耗尽区结合，且那里的移动电荷载流子相对较少。施加给结的电压会在每个结处形成电场，将电荷推过这些区域。这些电场会让电子从发射极一直流过基极，进入集电极。在双极结型晶体管中，“外加电场会影响载流子密度，但因为这种影响是指数级的，所以只需要一点点就可以产生大量的扩散电流。”哥伦比亚大学电气工程系主任扬尼斯•“约翰”•基米西斯（Ioannis“John”Kymissis）解释道。双极结型晶体管比点接触式晶体管更加坚固和可靠，正是这些特性铸就了它的伟大，但还需要一段时间才能证明。从20世纪60年代初首次出现，到20世纪70年代末被金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）取代，双极结型晶体管一直被用于制造集成电路。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）最终实现了几十年来基于场效应运行的三端半导体器件梦想，而这正是肖克利最初的构想。20世纪50年代初，人们很难想象会有这样辉煌的未来，当时美国电话电报公司等正在努力寻找有效且实用的方法来制造新的双极结型晶体管。肖克利本人继续投入到硅研究领域。他搬到了帕洛阿尔托，并于1956年创立了一家公司，引领了电子半导体从锗到硅的转变，促成了硅谷的兴起。其公司的员工后来创立了仙童半导体公司，然后是英特尔公司。晚年时，他因管理不善失去了公司，成为了斯坦福大学的一名教授，并开始传播关于种族、遗传和智力的毫无根据的疯狂理论。1951年，巴丁离开贝尔实验室，成为了伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一名教授，并在该校因超导理论第二次获得诺贝尔物理学奖。（他是唯一两次获得诺贝尔物理学奖的人。）布拉顿一直在贝尔实验室工作到1967年，之后他加入了位于华盛顿州瓦拉瓦拉的惠特曼学院。1989年肖克利去世，那时的他已经是一个无依无靠的孤家寡人。但是他的晶体管一直改变着世界，虽然直到1953年人们仍不清楚双极结型晶体管是否会成为未来。在当年的一次采访中，10年后帮助建立了IEEE的唐纳德•G.芬克（Donald G. Fink）沉思道：“它到底是一个尚处成长期，现在虽略显笨拙，但未来充满活力与希望的新事物，还是已经成熟，却衰弱无力，令人失望的末路者呢？”显然它是前者，我们所有人的生活都因为它而变得更加美好了。

来源：悦智网 作者：Glenn Zorpette

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