世界上第一個電晶體是如何工作的?

2020-11-30 EDN電子設計技術

就是世界上第一個電晶體設計模型，看起來它好像並不能夠改變世界，但它的確做到了。g1sednc

這是一個放大了很多倍的複製品，它很大程度上完美代表原型原理。g1sednc

在1947年，貝爾實驗的Walter H. Brattain第一個開發製作了這個裝置。在一個塑料支架上，放置了一個銅塊，上面又安裝了一大塊半導體鍺（Germanium）。g1sednc

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在鍺塊上面又放置了一個塑料三角形。在三角形的兩個斜邊各粘貼了一層金箔。g1sednc

上面有一個金屬彈簧，向下將三角形壓在半導體鍺塊上面，在其頂端與鍺表面形成了一個點接觸，這就形成了一個點接觸三極體。g1sednc

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這就是Brattain和Bardeen在1947年12月份發明的點接觸三極體裝置。g1sednc

他們在三極體的左邊接入一個麥克風，在右邊迴路接入一個音箱。他們對著麥克風說話，可以觀察到音箱中出現被放大了的聲音。g1sednc

Brattain在實驗室的工作筆記中寫道：這個電路將聲音進行了放大，可以在示波器上被觀察到，也可以被聽到。g1sednc

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放大功能是晶體三極體的主要功能。比如我們的手機，它接收到來自附近手機信號發送接收基站的微弱信號，手機中的電路將信號放大解調後，形成可以收聽的聲音。g1sednc

這個晶體三極體究竟是如何完成這神奇的功能的呢？其中關鍵之處在於塑料三角形與鍺塊接觸的這一小的區域。g1sednc

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在這個區域內集成了三種不同的導電物質。我們按照物質的導電性能將物質分成了三大類：導體、絕緣體和半導體。g1sednc

第一類是導體，比如像金屬，是通過內部帶有負電的電子來傳遞電流的；第二類是絕緣體，它們則會阻擋電流流過；第三類是可以用來製作成晶體三極體的半導體。正如它的名字所示，半導體的導電性能好於絕緣體，但比導體差。g1sednc

與導體最大的一點不同，導體只是有帶有負電荷的電子來導電，而半導體則會有兩種不同的導電粒子，也稱為載流子：正電荷載流子和負電荷載流子。這是三極體特性基礎。g1sednc

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根據這兩種不同載流子的半導體，工程師們可以製作小型可靠的單向導電的半導體器件-二極體。g1sednc

像製作三明治一樣，使用兩個帶有不同載流子的半導體，將它們緊靠在一起。下圖中，左邊是負電荷載流子半導體，右邊是正電荷載流子半導體。這可以電流從右邊流向左邊。將電池極性調換，則電流會停止流動。g1sednc

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也可使用其它種類器件完成同樣的單向導電功能，比如真空二極體。但是它們非常複雜，具有很多部件，如果過熱也會造成器件不可靠，造價很高，也不可能進行小型化。g1sednc

能夠小型化非常關鍵，電晶體帶來了微電子的革命變化。Brattain所製作的電晶體是所有電晶體的基礎。g1sednc

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為了理解第一個電晶體的工作原理，可以把它左右分開，看成兩個並聯在一起的單向導電的二極體。g1sednc

在中間是一層半導體鍺，它具有負電荷載流子。下面是金屬銅形成的導電基底。最上層是有金箔層。g1sednc

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當金箔接觸到半導體鍺表面的時候，就會形成帶有正電荷載流子的半導體。在其下就是帶有負電荷載流子的鍺半導體。g1sednc

儘管上層帶有正電荷載流子半導體層非常薄，但是仍然形成了可以提供三極體工作的半導體結構。左右兩邊可以看成各自上正下負極性的兩個二極體。g1sednc

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在左邊，使用一個低電壓電源，電源正極接到上層金箔層，這樣可以形成導通電流。在右邊使用一個大電壓的電源，但極性調換，下正上負，這種電壓配置使得右邊對應的二極體截止。g1sednc

將左右兩個二極體在重新合併在一起，神奇的事情發生了。左邊流動著電流。由於左右兩個金箔接觸點間距非常小，小於2000分之一英寸。於是在正電荷載流子半導體薄層中，正電荷就會從左邊被「注射到」右邊，於是在右邊也形成了導通電流。g1sednc

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右邊的電流的大小實際上會受到左邊電流大小的控制，而且是通過一個左邊的小電流控制了右邊的大電流，也就是右邊的電流強度要大於左邊的電流強度。g1sednc

如果進一步考慮這個現象，就能夠明白其中改變世界的秘密了--也就是通過這個機制我們創造信號的放大現象。g1sednc

度量信號的大小使用信號的功率，電信號的功率等於電流信號乘以電壓信號。g1sednc

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在電路中關鍵元件是工作電源。如果左邊使用小電壓工作電源，右邊工作電壓高。這樣任何左邊的電流的波動，就會引起右邊電流的巨大變化。g1sednc

左邊引起電流波動的信號可能來自麥克風電壓信號。在1947年的電晶體組成的放大電路可以將音頻信號的功率增加35分貝。g1sednc

Westen Electric 公司在1951年開始批量生產這種點接觸式晶體三極體。這種電晶體的一個巨大缺陷就是可靠性差，有的晶體會會突然失效。從製作工藝角度來看，這種結構有著先天不足，它是三維立體結構。g1sednc

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第一個電晶體原理圖和外觀--正宗手工打造的三極體g1sednc

由此，物理學家開始考慮如何能夠將器件從三維結構改變成二維的結構。多年之後，包括Westen Electric, RCA，GE等公司開發出結型二維晶體三極體。這種電晶體的性能超過了最早的點接觸型的晶體三極體。g1sednc

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世界上第一個結型晶體三極體g1sednc

電晶體發明人之一Walter H. Brattain因其貢獻和Bardeen、Shockley三人共同榮獲了1956年物理諾貝爾獎。也許Brattain在貝爾實驗室團隊中顯得最沒有什麼才氣，性格低調。g1sednc

在他獲獎感言的一開始就說到：「首先我要說的是，在為能夠分享這份諾貝爾物理獎」感到無比榮耀的同時，也意識到我只不過是作為為此作出貢獻的眾多成員的一個代表。沒有他們的工作和努力，我不會有機會來這兒領獎。」g1sednc

Brattain和他在1947年的關鍵實驗手稿g1sednc

（來源：微信公眾號 TsinghuaJoking；責編：Demi Xia）g1sednc

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