電晶體作為劃時代的發明,手機CPU中就有百億個,它的原理是什麼

2021-01-17 向美好的世界獻上祝福

作為劃時代的發明,我們現在應用的叫做結型電晶體。它可以說是信息革命的開端,是現代文明的基石。這樣說一點也不誇張,我們現在使用的蘋果A14晶片和華為麒麟9000晶片分別集成了118億和153億電晶體,生活中的其他電器中也都是電晶體的身影。

在電晶體發明之前人們為了控制電路,使用的是電子管,電子管體積大、耗電多、壽命短。房子一樣大的計算機和巨型的電視,就是因為電晶體的這些缺點而誕生的。人們對於電路的控制技術不斷成熟,迫切需要體積小巧的電器元件。

電子管計算機

電晶體發明之後的幾十年,電子技術突飛猛進,發生了翻天覆地的變化,集成電路、微處理器技術日新月異,現在的製造技術已經發展到了納米尺寸。1947年貝爾實驗室發表第一個以鍺半導體做成的點接觸電晶體,隨後肖克萊在理論上設計出了結型電晶體,結型電晶體能耗小、耐衝擊、耐震、壽命長久、製造廉價。1956年巴丁、布拉坦、肖克萊因為半導體及電晶體效應的研究獲得諾貝爾物理獎。

集成電路

結型電晶體的原理要從P-N結說起,半導體材料有4價的矽製作而成,就像下面四個觸手的觸手怪。他們手中的就是電子,矽通電的話就會吸收一些能量,一些電子就會變成自由電子,但因為空間比較少所以矽的導電率比較低。

隨著人們發明了一種摻雜的技術,將5價的磷摻入矽中,如下圖,這樣就多出來了自由的電子,稱為N型半導體。

如果將3價的硼摻雜的話,就會多出了空穴,如下圖,稱為P型半導體。

一半P型半導體和一半N型半導體就形成了一個PN結。在交界處,由於電子的遷移,P區得到一些電子,N區產生了一些空穴。這樣在紅色區域形成了一個電場,電場方向由N區指向P區(右側指向左側),所以就會阻止電子進一步從下圖的右向左移動。

P--N結,左側是P型,右側是N型

在這個狀態下綠色圈圈為空穴,淺藍小球為電子,當如圖反向接電源的時候,電源正極會吸引電子,負極吸引空穴,這時是不會有電流的,所以二極體不導通。

電源左正右負

當電源反向的時候,同樣正極吸引電子,負極的電子如果電壓足夠大克服紅色電位障礙越過中間的區域流向電源正極,從而產生電流,二極體導通。

當年貝爾實驗室發明點接觸電晶體的是巴丁和布拉坦,他們製作的電晶體是一個三極體,見下圖。

上圖上部是一個彈簧,集電極和發射極是金箔粘在三角形塑料片兩側,尖部壓在鍺晶片上,下部是基極。這樣做是因為限於當時的製造條件,兩個金箔要靠得足夠近,約0.05mm,才能既不導通,又可以破除屏蔽(上邊的紅色區域)作用。為了滿足條件在三角形塑料片兩側粘貼金箔,在頂部割開然後壓在鍺晶片上。

巴丁和布拉坦發明了點接觸電晶體,肖克萊是他們的領導而且他在這項研究上進行了八年的研究,沒有能參與到發明的過程他感到很遺憾也不甘心。點接觸電晶體存在其缺點,不穩定、噪聲大、效率低,放大功率甚至不如電子管。肖克萊又用了38天時間研究出了雙極導體載流子的輸運理論和公式,他從理論上發明了結型電晶體。

三位大牛:巴丁( 左)、肖克萊(中)、布拉坦(右)

這其中約翰-巴丁又去研究了超導理論,又獲得了諾貝爾獎。沒錯,又獲得了諾貝爾物理學獎。

在這之前我們已經見到了量子力學的身影,量子力學的能帶理論,讓人們進一步認識了固體物質的絕緣體、導體和半導體,可以說是初露崢嶸。雖然量子力學還是處於起步階段,但相信未來會帶我們進入到更先進的世界。

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