晶体管的起源

芯通社 · 公众号 · · 2020-12-27 18:27

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现代计算机通过执行几十年前几乎不可能实现的任务，正在不断改变我们的生活。各种各样的创新使现代计算机（如我们今天所知）得以实现。但是，有一项基本发明几乎是所有其他事物所依赖的，那就是不起眼的晶体管。让我们看看这个不起眼的设备是如何变成的。

对晶体管的需求

从本质上讲，所有计算机基本上都是执行数学运算的机器。最早的是手动计数设备，例如算盘，而将来开发的设备是使用机械零件。使这些设备成为“计算机”的原因是拥有一种成功代表数字的方法和一种操纵数字的系统。电子计算机以相同的方式工作，但是数字代替物理布置，而是用电压表示。布尔逻辑只有两个可能的值– true（1）和false（0），在电子计算机中开始发挥作用。在电子计算机中，方程是通过产生1或0输出的逻辑门电路执行的。对于更高级的操作，这些电路被融合在一起。计算机程序由一组指令组成，详细说明了如何执行这些操作。但是，该系统需要可靠且准确的方法来控制电流。

早期的电子计算机，例如1946年开发的ENIAC（电子数值积分器和计算器），使用一种称为真空管的设备来控制电压。在这种计算机中使用的真空管笨重且不可靠。它们还消耗了荒谬的功率并产生了过多的热量，从而缩短了这些灯管的使用寿命。另一方面，该晶体管要比真空管小得多，并且所用的功率要少得多。另外，由于晶体管使用较少的功率，所以产生的热量最小。因此，它不会像真空管那样经常失败。该晶体管使用半导体代替真空管中使用的电极。用不同的元素（例如磷和硼）处理半导体（例如硅），以生成发射电子的“ N型”和吸收电子的“ P型”。它们被安排为NPN（典型的NPN晶体管），并在发射极，基极和集电极各放置一个端子。在这种晶体管中，输入电压的微小变化可用于在高电压和低电压之间快速切换。

晶体管使现代计算机得以发展。ENIAC是一台重达30吨的大型计算机，有网球场那么大！相比之下，单个具有指甲大小的微处理器（包含数十亿个晶体管）现在可以超越ENIAC的功能。底座和收集器。在这种晶体管中，输入电压的微小变化可用于在高电压和低电压之间快速切换。晶体管使现代计算机得以发展。ENIAC是一台重达30吨的大型计算机，只有网球场那么大！相比之下，单个具有指甲大小的微处理器（包含数十亿个晶体管）现在可以超越ENIAC的功能。

寻求替代解决方案的动力

在1920年代，研究人员开始研究使用半导体来放大和切换电话设备中的信号。在1930年代，贝尔实验室的美国物理学家和工程师Marvin Kelly决定寻求制造某种形式的固态设备。他决定挑战William Shockley，Jack Scaff，Russell Ohl等许多同事，研究替代真空管的半导体技术。他知道真空管太不可靠了，无法成为无缝电子产品的最终解决方案。

Russel Ohl开始研究硅晶体，以及如果获得N型或P型硅，硅晶体的制备会如何影响。整流发生的方向定义了硅的类型。Ohl还能够开发出一个样品，其中顶部为p型区域，而底部为n型区域。他发现当光照射到它上时，它会产生电压。

第二次世界大战后的1945年，Shockley开始试验改良的半导体材料，这些材料是为战争中使用的雷达探测器开发的。他研究了一种场效应放大器，该放大器类似于奥匈帝国物理学家Julius E. Lilienfeld于1926年以及德国物理学家Oskar Heil博士于1934年申请的专利。但是，当物理学家John Bardeen提出存在于半导体表面的电子可能阻碍电场向材料中的渗透时，这一突破就来了。在William Shockley的支持和另一位物理学家Walter Brattain帮助下，John Bardeen开始研究这些“表面状态”的行为。

到1947年11月下旬，Bardeen和Brattain设法制造出一种可工作的晶体管，直到1947年12月16日，他们一直在不断改进这种晶体管。在这一天，他们的研究最终达到了用硅制成的工作“点接触”晶体管的顶峰。坐在锗晶体上的两个金箔触点。它也被称为“ PNP点接触锗晶体管”。他们于12月23日进行了巡回演示，向贝尔实验室展示了该固态设备的工作原理。Bardeen和Brattain还花了一些时间为其发明申请专利，并批准将其公开发布给军队。1948年6月，贝尔实验室正式宣布了革命性的固态设备，他们称之为“晶体管”。

然而，Shockley继续构建由Bardeen和Brattain创建的第一个工作晶体管的更可靠和可复制的版本。他很成功，并于1952年推出了他的双极结型晶体管。它是由没有触点的固态半导体材料制成的。本发明优于点接触型，并在接下来的30年中主导了整个行业。他申请了晶体管效应和晶体管放大器的专利。1956年，贝尔实验室的所有三位物理学家，William Shockley, Walter Brattain 和 John Bardeen 因其贡献而被授予诺贝尔物理学奖。

改进和商业采用

1952年，结型晶体管首次用于商业产品，即Sonotone助听器。此后，在1954年，制造了第一台晶体管收音机Regency TR1。不断开发不同的制造方法以生产更快，更便宜和更可靠的晶体管。另一个重要的进步是1954年制造的硅晶体管，首先是贝尔实验室的Morris Tanenbaum制造的，此后不久，由化学家Willis Adcock领导的德州仪器（TI）的一个团队制造了这种晶体管。到50年代末，硅已成为制造晶体管的行业首选材料，德州仪器（TI）成为主要的半导体供应商。

位于加利福尼亚州硅谷的一家初创公司创建了Fairchild公司。1958年，他们推出了双扩散硅台面晶体管，并在商业上取得了巨大成功。此后不久，瑞士物理学家Jean Hoerni创造了革命性的平面工艺，将晶体管的制造过程从半手工操作转变为大批量的自动化生产过程。这也为现代IC（集成电路）的开发铺平了道路。

1959年，Lilienfeld和Heil的想法激发了韩国电气工程师Dawon Kahng的兴趣，他建造了第一个成功的场效应晶体管（FET），该晶体管由金属，氧化物和硅层组成。通常被简化为MOS的MOSFET（金属，氧化物，硅场效应晶体管）有望成为更小，更便宜且功耗更低的晶体管。Fairchild和RCA等公司于1964年向公众推出了商用MOS晶体管。然而，仅仅十年后，它们就被计算机中的IC所取代。但是，在构建高密度IC时，MOS晶体管被证明是最实用的方法。现在，每天制造的数十亿个晶体管是MOS器件。

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