广告

世界上第一个晶体管是如何工作的?

2019-12-31 阅读:
世界上第一个晶体管是如何工作的?
在1947年,贝尔实验的Walter H. Brattain第一个开发制作了这个装置。在一个塑料支架上,放置了一个铜块,上面又安装了一大块半导体锗(Germanium)。

就是世界上第一个晶体管设计模型,看起来它好像并不能够改变世界,但它的确做到了。p2Lednc

这是一个放大了很多倍的复制品,它很大程度上完美代表原型原理。p2Lednc

在1947年,贝尔实验的Walter H. Brattain第一个开发制作了这个装置。在一个塑料支架上,放置了一个铜块,上面又安装了一大块半导体锗(Germanium)。p2Lednc

p2Lednc

在锗块上面又放置了一个塑料三角形。在三角形的两个斜边各粘贴了一层金箔。p2Lednc

上面有一个金属弹簧,向下将三角形压在半导体锗块上面,在其顶端与锗表面形成了一个点接触,这就形成了一个点接触三极管。p2Lednc

p2Lednc

这就是Brattain和Bardeen在1947年12月份发明的点接触三极管装置。p2Lednc

他们在三极管的左边接入一个麦克风,在右边回路接入一个音箱。他们对着麦克风说话,可以观察到音箱中出现被放大了的声音。p2Lednc

Brattain在实验室的工作笔记中写道:这个电路将声音进行了放大,可以在示波器上被观察到,也可以被听到。p2Lednc

p2Lednc

放大功能是晶体三极管的主要功能。比如我们的手机,它接收到来自附近手机信号发送接收基站的微弱信号,手机中的电路将信号放大解调后,形成可以收听的声音。p2Lednc

这个晶体三极管究竟是如何完成这神奇的功能的呢?其中关键之处在于塑料三角形与锗块接触的这一小的区域。p2Lednc

p2Lednc

在这个区域内集成了三种不同的导电物质。我们按照物质的导电性能将物质分成了三大类:导体、绝缘体和半导体。p2Lednc

第一类是导体,比如像金属,是通过内部带有负电的电子来传递电流的;第二类是绝缘体,它们则会阻挡电流流过;第三类是可以用来制作成晶体三极管的半导体。正如它的名字所示,半导体的导电性能好于绝缘体,但比导体差。p2Lednc

与导体最大的一点不同,导体只是有带有负电荷的电子来导电,而半导体则会有两种不同的导电粒子,也称为载流子:正电荷载流子和负电荷载流子。这是三极管特性基础。p2Lednc

p2Lednc

根据这两种不同载流子的半导体,工程师们可以制作小型可靠的单向导电的半导体器件-二极管。p2Lednc

像制作三明治一样,使用两个带有不同载流子的半导体,将它们紧靠在一起。下图中,左边是负电荷载流子半导体,右边是正电荷载流子半导体。这可以电流从右边流向左边。将电池极性调换,则电流会停止流动。p2Lednc

p2Lednc

也可使用其它种类器件完成同样的单向导电功能,比如真空二极管。但是它们非常复杂,具有很多部件,如果过热也会造成器件不可靠,造价很高,也不可能进行小型化。p2Lednc

能够小型化非常关键,晶体管带来了微电子的革命变化。Brattain所制作的晶体管是所有晶体管的基础。p2Lednc

p2Lednc

为了理解第一个晶体管的工作原理,可以把它左右分开,看成两个并联在一起的单向导电的二极管。p2Lednc

在中间是一层半导体锗,它具有负电荷载流子。下面是金属铜形成的导电基底。最上层是有金箔层。p2Lednc

p2Lednc

当金箔接触到半导体锗表面的时候,就会形成带有正电荷载流子的半导体。在其下就是带有负电荷载流子的锗半导体。p2Lednc

尽管上层带有正电荷载流子半导体层非常薄,但是仍然形成了可以提供三极管工作的半导体结构。左右两边可以看成各自上正下负极性的两个二极管。p2Lednc

p2Lednc

在左边,使用一个低电压电源,电源正极接到上层金箔层,这样可以形成导通电流。在右边使用一个大电压的电源,但极性调换,下正上负,这种电压配置使得右边对应的二极管截止。p2Lednc

将左右两个二极管在重新合并在一起,神奇的事情发生了。左边流动着电流。由于左右两个金箔接触点间距非常小,小于2000分之一英寸。于是在正电荷载流子半导体薄层中,正电荷就会从左边被“注射到”右边,于是在右边也形成了导通电流。p2Lednc

p2Lednc

右边的电流的大小实际上会受到左边电流大小的控制,而且是通过一个左边的小电流控制了右边的大电流,也就是右边的电流强度要大于左边的电流强度。p2Lednc

如果进一步考虑这个现象,就能够明白其中改变世界的秘密了--也就是通过这个机制我们创造信号的放大现象。p2Lednc

度量信号的大小使用信号的功率,电信号的功率等于电流信号乘以电压信号。p2Lednc

p2Lednc

在电路中关键元件是工作电源。如果左边使用小电压工作电源,右边工作电压高。这样任何左边的电流的波动,就会引起右边电流的巨大变化。p2Lednc

左边引起电流波动的信号可能来自麦克风电压信号。在1947年的晶体管组成的放大电路可以将音频信号的功率增加35分贝。p2Lednc

Westen Electric 公司在1951年开始批量生产这种点接触式晶体三极管。这种晶体管的一个巨大缺陷就是可靠性差,有的晶体会会突然失效。从制作工艺角度来看,这种结构有着先天不足,它是三维立体结构。p2Lednc

p2Lednc

第一个晶体管原理图和外观--正宗手工打造的三极管p2Lednc

由此,物理学家开始考虑如何能够将器件从三维结构改变成二维的结构。多年之后,包括Westen Electric, RCA,GE等公司开发出结型二维晶体三极管。这种晶体管的性能超过了最早的点接触型的晶体三极管。p2Lednc

p2Lednc

世界上第一个结型晶体三极管p2Lednc

晶体管发明人之一Walter H. Brattain因其贡献和Bardeen、Shockley三人共同荣获了1956年物理诺贝尔奖。也许Brattain在贝尔实验室团队中显得最没有什么才气,性格低调。p2Lednc

在他获奖感言的一开始就说到:“首先我要说的是,在为能够分享这份诺贝尔物理奖”感到无比荣耀的同时,也意识到我只不过是作为为此作出贡献的众多成员的一个代表。没有他们的工作和努力,我不会有机会来这儿领奖。”p2Lednc

Brattain和他在1947年的关键实验手稿p2Lednc

(来源:微信公众号 TsinghuaJoking;责编:Demi Xia)p2Lednc

  • 好文
本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 难道“设计得太好”也是一种错? 有时候,事情做的好并促成了技术进展,很快地就会有人对你期待更多。例如在设计时增加某种新功能,经常引发另一种非预期的需求。从某方面来说,这对于工程师所传达的讯息就是:很抱歉,您的设计做得“太”好了!
  • 联发科发布迅鲲900T,平板专用版天玑 900? 据EDN报道,联发科技今日举办了一场媒体沟通会,发布了迅鲲™系列移动计算平台的又一个新成员——迅鲲900T,从几个关键参数上看这颗芯片比较像是天玑 900(6nm,2×2.4GHz A78,6×2.0GHz A55, Mali-G68 MC4 GPU)的平板专用款……
  • 混合超级电容器有何优点和缺点? 混合超级电容器并不是简单地将一个可充电电池和一个超级电容器打包在一起。相反,它采用了一种独特的结构,其中的单个组件既是一个超级电容器又是一个锂离子电池。
  • 小鹏进军“AI玩具”,要做儿童的第一个可骑乘智能机器马 小鹏汽车的生态企业鹏行智能这是鹏行智能发布了全球首款可骑乘智能机器马。这是鹏行智能智能机器马的第三代原型机,其内部代号为“小白龙”。前有小米首款仿生四足机器人"铁蛋",后有特斯拉AI机器人“Tesla Bot”,再到日前的鹏行机器马,为何新兴势力纷纷入场AI机器人呢?
  • Apple Car副总裁跳槽福特,1年离职4位高管,苹果造车何时 福特昨日(美国时间9月7日)宣布,Apple 负责特别项目的副总裁 Doug Field 将离开 Apple,并放弃他在Apple Car 方面的工作,转而在福特任职。
  • 三星CIS传感器路线图公布,2025年将推5.76亿像素传感器 近日,外媒曝光了三星最新的CIS传感器路线图,路线图显示,三星在2亿像素之外已经规划2025年推出576MP像素的传感器,也就是5亿7千6百万像素,意味着手机传感器可媲美中高端单反水平了。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了