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世界上第一个晶体管是如何工作的?

时间:2019-12-31 阅读:
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。Oetednc

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。Oetednc

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)。Oetednc

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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。Oetednc

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。Oetednc

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

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。Oetednc

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。Oetednc

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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。Oetednc

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。Oetednc

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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。Oetednc

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。Oetednc

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。Oetednc

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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。Oetednc

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。Oetednc

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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。Oetednc

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。Oetednc

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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。Oetednc

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。Oetednc

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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。Oetednc

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。Oetednc

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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。Oetednc

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。Oetednc

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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。Oetednc

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。Oetednc

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。Oetednc

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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。Oetednc

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。Oetednc

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。Oetednc

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第一个晶体管原理图和外观--正宗手工打造的三极管Oetednc

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。Oetednc

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世界上第一个结型晶体三极管Oetednc

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。Oetednc

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。”Oetednc

Brattain和他在1947年的关键实验手稿Oetednc

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

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