電晶體的起源

2020-11-15 半導體行業觀察

來源：文章由半導體行業觀察編譯自digit，謝謝。

現代計算機通過執行幾十年前幾乎不可能實現的任務，正在不斷改變我們的生活。各種各樣的創新使現代計算機（如我們今天所知）得以實現。但是，有一項基本發明幾乎是所有其他事物所依賴的，那就是不起眼的電晶體。讓我們看看這個不起眼的設備是如何變成的。


對電晶體的需求

從本質上講，所有計算機基本上都是執行數學運算的機器。最早的是手動計數設備，例如算盤，而將來開發的設備是使用機械零件。使這些設備成為「計算機」的原因是擁有一種成功代表數字的方法和一種操縱數字的系統。電子計算機以相同的方式工作，但是數字代替物理布置，而是用電壓表示。布爾邏輯只有兩個可能的值– true（1）和false（0），在電子計算機中開始發揮作用。在電子計算機中，方程是通過產生1或0輸出的邏輯門電路執行的。對於更高級的操作，這些電路被融合在一起。電腦程式由一組指令組成，詳細說明了如何執行這些操作。但是，該系統需要可靠且準確的方法來控制電流。

早期的電子計算機，例如1946年開發的ENIAC（電子數值積分器和計算器），使用一種稱為真空管的設備來控制電壓。在這種計算機中使用的真空管笨重且不可靠。它們還消耗了荒謬的功率並產生了過多的熱量，從而縮短了這些燈管的使用壽命。另一方面，該電晶體要比真空管小得多，並且所用的功率要少得多。另外，由於電晶體使用較少的功率，所以產生的熱量最小。因此，它不會像真空管那樣經常失敗。該電晶體使用半導體代替真空管中使用的電極。用不同的元素（例如磷和硼）處理半導體（例如矽），以生成發射電子的「 N型」和吸收電子的「 P型」。它們被安排為NPN（典型的NPN電晶體），並在發射極，基極和集電極各放置一個端子。在這種電晶體中，輸入電壓的微小變化可用於在高電壓和低電壓之間快速切換。

電晶體使現代計算機得以發展。ENIAC是一臺重達30噸的大型計算機，有網球場那麼大！相比之下，單個具有指甲大小的微處理器（包含數十億個電晶體）現在可以超越ENIAC的功能。底座和收集器。在這種電晶體中，輸入電壓的微小變化可用於在高電壓和低電壓之間快速切換。電晶體使現代計算機得以發展。ENIAC是一臺重達30噸的大型計算機，只有網球場那麼大！相比之下，單個具有指甲大小的微處理器（包含數十億個電晶體）現在可以超越ENIAC的功能。


尋求替代解決方案的動力

在1920年代，研究人員開始研究使用半導體來放大和切換電話設備中的信號。在1930年代，貝爾實驗室的美國物理學家和工程師Marvin Kelly決定尋求製造某種形式的固態設備。他決定挑戰William Shockley，Jack Scaff，Russell Ohl等許多同事，研究替代真空管的半導體技術。他知道真空管太不可靠了，無法成為無縫電子產品的最終解決方案。

Russel Ohl開始研究矽晶體，以及如果獲得N型或P型矽，矽晶體的製備會如何影響。整流發生的方向定義了矽的類型。Ohl還能夠開發出一個樣品，其中頂部為p型區域，而底部為n型區域。他發現當光照射到它上時，它會產生電壓。

第二次世界大戰後的1945年，Shockley開始試驗改良的半導體材料，這些材料是為戰爭中使用的雷達探測器開發的。他研究了一種場效應放大器，該放大器類似於奧匈帝國物理學家Julius E. Lilienfeld於1926年以及德國物理學家Oskar Heil博士於1934年申請的專利。但是，當物理學家John Bardeen提出存在於半導體表面的電子可能阻礙電場向材料中的滲透時，這一突破就來了。在William Shockley的支持和另一位物理學家Walter Brattain幫助下，John Bardeen開始研究這些「表面狀態」的行為。

到1947年11月下旬，Bardeen和Brattain設法製造出一種可工作的電晶體，直到1947年12月16日，他們一直在不斷改進這種電晶體。在這一天，他們的研究最終達到了用矽製成的工作「點接觸」電晶體的頂峰。坐在鍺晶體上的兩個金箔觸點。它也被稱為「 PNP點接觸鍺電晶體」。他們於12月23日進行了巡迴演示，向貝爾實驗室展示了該固態設備的工作原理。Bardeen和Brattain還花了一些時間為其發明申請專利，並批准將其公開發布給軍隊。1948年6月，貝爾實驗室正式宣布了革命性的固態設備，他們稱之為「電晶體」。

然而，Shockley繼續構建由Bardeen和Brattain創建的第一個工作電晶體的更可靠和可複製的版本。他很成功，並於1952年推出了他的雙極結型電晶體。它是由沒有觸點的固態半導體材料製成的。本發明優於點接觸型，並在接下來的30年中主導了整個行業。他申請了電晶體效應和電晶體放大器的專利。1956年，貝爾實驗室的所有三位物理學家，William Shockley, Walter Brattain 和 John Bardeen 因其貢獻而被授予諾貝爾物理學獎。


改進和商業採用

1952年，結型電晶體首次用於商業產品，即Sonotone助聽器。此後，在1954年，製造了第一臺電晶體收音機Regency TR1。不斷開發不同的製造方法以生產更快，更便宜和更可靠的電晶體。另一個重要的進步是1954年製造的矽電晶體，首先是貝爾實驗室的Morris Tanenbaum製造的，此後不久，由化學家Willis Adcock領導的德州儀器（TI）的一個團隊製造了這種電晶體。到50年代末，矽已成為製造電晶體的行業首選材料，德州儀器（TI）成為主要的半導體供應商。

位於加利福尼亞州矽谷的一家初創公司創建了Fairchild公司。1958年，他們推出了雙擴散矽臺面電晶體，並在商業上取得了巨大成功。此後不久，瑞士物理學家Jean Hoerni創造了革命性的平面工藝，將電晶體的製造過程從半手工操作轉變為大批量的自動化生產過程。這也為現代IC（集成電路）的開發鋪平了道路。

1959年，Lilienfeld和Heil的想法激發了韓國電氣工程師Dawon Kahng的興趣，他建造了第一個成功的場效應電晶體（FET），該電晶體由金屬，氧化物和矽層組成。通常被簡化為MOS的MOSFET（金屬，氧化物，矽場效應電晶體）有望成為更小，更便宜且功耗更低的電晶體。Fairchild和RCA等公司於1964年向公眾推出了商用MOS電晶體。然而，僅僅十年後，它們就被計算機中的IC所取代。但是，在構建高密度IC時，MOS電晶體被證明是最實用的方法。現在，每天製造的數十億個電晶體是MOS器件。

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