晶體管是如何工作的？
發(fā)明者自己也不清楚……
這真的沒開玩笑。
這兩天 IEEE Spectrum 發(fā)布一篇文章，關(guān)于晶體管誕生始末，其中披露：當(dāng)年科學(xué)家確實(shí)僅僅實(shí)現(xiàn)電路定向?qū)ㄐЧ?，就對外公布了成果?/strong>
甚至十年過去，相關(guān)貢獻(xiàn)者已憑此拿下諾貝爾物理獎(jiǎng)，圈內(nèi)研究者仍表示：
由于器件的三維特性，對其內(nèi)部進(jìn)行理論分析仍很困難。
更有意思的是，該文章還曝光一段上下級(jí)反目的精彩內(nèi)幕：
兩位下屬申請專利沒帶上領(lǐng)導(dǎo)，后者帶著憤怒和嫉妒，在短短幾個(gè)月就發(fā)明出全新結(jié)構(gòu)，替代前者成果并主導(dǎo)此后 30 年的晶體管發(fā)展。
這究竟是怎樣一段往事？
又如何影響到我們當(dāng)下生活？
今天不妨結(jié)合更多資料，回溯一下。
點(diǎn)接觸晶體管到 BJT
晶體管誕生前，電子設(shè)備廣泛使用的是電子管（也稱真空管）。
其原理發(fā)現(xiàn)始于發(fā)明大王愛迪生在 1880 年一次實(shí)驗(yàn)，他給燈泡多放了一個(gè)電極，并灑了些箔片，他發(fā)現(xiàn)，在燈泡通電情況下，第三極通正電，箔片并無反應(yīng)，但第三極通負(fù)電時(shí)，箔片會(huì)漂浮起來。
該現(xiàn)象被歐文?理查森總結(jié)為：
高溫真空環(huán)境下，電路陰極會(huì)釋放電子到陽極，由此產(chǎn)生電流，反向則不會(huì)。這當(dāng)中，真空環(huán)境內(nèi)分子密度小，相撞產(chǎn)生阻力小得多，電子自然更易運(yùn)動(dòng)。
此后的 1904 年，英國科學(xué)家約翰?弗萊明依據(jù)上述原理，發(fā)明了世界上第一個(gè)真空二極管，也稱電子管。
進(jìn)一步，科學(xué)家們在陰極陽極之間添加一個(gè)柵極，利用同行電荷相斥，改變電子通過柵極流量，能夠起到放大作用。由此，三極管誕生。
電子管發(fā)明后，被廣泛應(yīng)用于無線電通信、電話、廣播、電視、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，僅 1929 年，產(chǎn)業(yè)規(guī)模就超過 10 億美金。人類歷史上第一臺(tái)計(jì)算機(jī) ENIAC 中就使用了 17468 根電子管。
直到 20 世紀(jì) 50 年代，絕大部分電子設(shè)備仍在使用電子管，此外，如果從其他材料及原理角度發(fā)明新產(chǎn)品替代它又充滿了風(fēng)險(xiǎn)與不確定性，只有少量技術(shù)從業(yè)者在該方向探索。
這其中，就包括了美國 AT&T 貝爾實(shí)驗(yàn)室的威廉?肖克利（William Shockley），這個(gè)名字可謂耳熟能詳，還有其手下約翰?巴丁（John Bardeen）和沃爾特?布拉頓（Walter Brattain）。
他們的新發(fā)現(xiàn)確實(shí)始于一次偶然。
1947 年 11 月，巴丁和布拉頓在實(shí)驗(yàn)中遇到一個(gè)奇怪現(xiàn)象：
他們所使用的鍺半導(dǎo)體上，電子表面層似乎會(huì)阻擋施加的電場，不讓其穿透半導(dǎo)體并調(diào)節(jié)電流。
盡管他們沒弄明白其中原理，但到 12 月，這二位已摸索到一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案：
將兩片相隔極小的金箔固定在一個(gè)塑料三角上，該部分連著一根彈簧，下方為半導(dǎo)體鍺，兩片金箔作為兩個(gè)電極，與半導(dǎo)體材料輕輕接觸。
由此，就能實(shí)現(xiàn)類似電子管的定向?qū)ㄐЧ?/p>
這是世界上第一枚點(diǎn)接觸式晶體管的原型，鑒于晶體管工作依賴于半導(dǎo)體材料特殊的導(dǎo)通性質(zhì)，半導(dǎo)體時(shí)代也由此拉開帷幕。
盡管當(dāng)時(shí)科學(xué)家們未能清晰完整地將背后原理說清，一些教科書直接忽略了點(diǎn)接觸式晶體管介紹，但它的確是史上首個(gè)晶體管。
后來，研究者們逐漸揭開其中奧秘。
具體來說，這種晶體管基于拇指大小的 N 型鍺板構(gòu)建，其上帶有過量的負(fù)電電子，經(jīng)處理，表面會(huì)有一層薄薄的 P 層，上面帶過量正電荷，底部接地。
與鍺板接觸兩個(gè)電極中，一個(gè)帶不超過 1V 正電壓，另一個(gè)帶 4-40V 負(fù)電壓，當(dāng)通電后，電子從負(fù)電壓一極流向正極，電流反向流動(dòng)。反之，如若施加較大正電壓及較小負(fù)電壓，那整個(gè)系統(tǒng)由于同性電荷相斥，將不導(dǎo)通。
相比電子管，點(diǎn)接觸晶體管優(yōu)勢在于耗能低，無需考慮加熱電極耗散問題，且無需真空環(huán)境，器件使用中不易損壞。
當(dāng)然，相比今天的芯片，它既笨重也簡陋，透著一股廉價(jià)觀感。
但當(dāng) 1948 年 6 月 30 日，貝爾實(shí)驗(yàn)室對外透露了該成果時(shí)，它毫無懸念地震動(dòng)了業(yè)界。
很快，AT&T 旗下的制造部門 Western Electric 開始量產(chǎn)這種晶體管，它被廣泛應(yīng)用于電話路由設(shè)備、電路振蕩器、助聽器、電視信號(hào)接收器。
新發(fā)明迅速被應(yīng)用到了前沿軍事與計(jì)算領(lǐng)域。歷史上首臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)誕生于 1954 年，是美國空軍的機(jī)載計(jì)算機(jī)器 Tradic。
其內(nèi)部大量應(yīng)用了點(diǎn)觸式晶體管，其運(yùn)行功耗不超過 100w，體積不超 1 立方米，相比占地一整個(gè)庫房的 ENIAC，自然能稱得上「SUPER COMPUTER」。
今天我們很少接觸點(diǎn)觸式晶體管，因?yàn)樗鼊偘l(fā)明就被迅速替代，這當(dāng)中，跟晶體管發(fā)明者巴丁、布拉頓及上司肖克利一段恩怨有關(guān)。
由于在申請接觸式晶體管專利中，兩位屬下沒帶上老板肖克利，他為此感到不滿并帶著怨念，不到半年時(shí)間，他就設(shè)計(jì)出了全新結(jié)構(gòu)的雙極結(jié)型晶體管（BJT）。
BJT 原理與點(diǎn)接觸式相同，但結(jié)構(gòu)大不一樣。它自帶兩個(gè) PN 結(jié)，向外有發(fā)射極、集電極、基極三個(gè)極點(diǎn)。
以 NPN 結(jié)構(gòu)晶體管為例，在發(fā)射極和基極之間接一個(gè)較小電壓，再在基極和集電極之間接一個(gè)較大電壓，通電后，少量電子填入中間空穴，更多電子會(huì)從低壓的發(fā)射極（E 極）向集電極（C 極）流動(dòng)。
這樣一來，也就實(shí)現(xiàn)了定向放大器功效。
從結(jié)構(gòu)就能看出，BJT 晶體管結(jié)構(gòu)簡單，更穩(wěn)定可靠。
這種設(shè)計(jì)迅速取代了原先點(diǎn)接觸式晶體管，并占據(jù)主導(dǎo)長達(dá) 30 年，其簡單的結(jié)構(gòu)又為集成電路誕生奠定了基礎(chǔ)。
直到后來 CMOS（金屬氧化物場效應(yīng)管）的出現(xiàn)，又是一段后話了。
值得留意的是，BJT 結(jié)構(gòu)與 JFET 場效應(yīng)管看起來相似，都有三極，但兩者原理大有不同。BJT 是一種雙極晶體管，當(dāng)中涉及多數(shù)和少數(shù)兩路載流子流動(dòng)，JFET 三極為源極柵極漏極，且是一種單極晶體管。
晶體管誕生后的發(fā)明者們
晶體管的發(fā)明在人類歷史上勢必成為標(biāo)志性事件，1956 年的諾貝爾獎(jiǎng)頒給了前面所說的三人，讓我們重新回顧一下他們的名字：
威廉?肖克利、約翰?巴丁和沃爾特?布拉頓。
晶體管發(fā)明后，布拉頓因與肖克利不和（之前也能看出來），轉(zhuǎn)而進(jìn)入貝爾實(shí)驗(yàn)室另一個(gè)小組，基于半導(dǎo)體材料表面特性研究晶體管。
1967 年，他離開貝爾實(shí)驗(yàn)室，前往惠特曼學(xué)院擔(dān)任兼職教授，撰寫過多篇固體物理學(xué)文章。
值得補(bǔ)充的是，布拉頓父親曾前往中國一家私立學(xué)校任老師，因而，他的出生地是中國福建省廈門市同安縣，1 歲隨父母返美。
巴丁也因與肖克利無法共事，后前往伊利諾大學(xué)香檳分校電機(jī)學(xué)院和物理學(xué)院擔(dān)任教授，并因超導(dǎo)理論方面的貢獻(xiàn)于 1972 年第二次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
三人中，肖克利走得更遠(yuǎn)，其名字也更為人熟知。
1956 年，他來到加州舊金山的灣區(qū)西南部，創(chuàng)立了與自己同名的「肖克利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室」，立志將半導(dǎo)體從鍺時(shí)代帶入硅時(shí)代。
他手下八位員工們后來成為更具傳奇性的人物，其中包括了仙童、英特爾等企業(yè)創(chuàng)始人。
從那時(shí)起，硅谷乃至整個(gè) IT 行業(yè)的傳奇被開啟，并延續(xù)至今。
參考鏈接：
[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor
[2]https://zh.m.wikipedia.org/zh/%E7%9C%9F%E7%A9%BA%E7%AE%A1
[3]https://spectrum.ieee.org/transistor-history
[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Traitorous_eight
本文來自微信公眾號(hào)：量子位 （ID：QbitAI），作者：詹士
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