1948年7月1日,美国《纽约时报》只用了8个句子的篇幅,简短地公开了贝尔实验室发明晶体管的消息。"一石激起千层浪",它就像颗重磅炸弹,在全世界电子行业"引爆"出强烈的冲击波。电子计算机终于就要大步跨进第二代的门槛!
从第一台晶体管无线电的售出起,晶体管就成为大众文化的一部分,这是为晶体管发明者们所称道的一个发展。直到20世纪50年代后期,晶体管成为了电子电话转接系统的一个不可分割的组成部分,也成为便携式收音机、计算机和雷达等其它重要产品和服务的关键组件。
1947年12月23日,晶体管在贝尔实验室诞生
随着半导体技术的不断发展,晶体管的运行速度更快,可靠性更高,成本也更低。1959年,随着能够将大量的晶体管及其它电子器件集成到一块硅片上的集成电路的发明,晶体管取得了新的突破。这些微芯片不仅使得晶体管的创新达到了新的高度,而且还推动了信息时代的发展。
实际上,晶体管的发明工作始于新泽西的默里山。那时的电子管虽然能够放大音乐和语音,并使长途通话在20世纪上半叶成为现实,但问题在于电子管功耗大,产生的热量过多,且极易烧坏电子管处理高频信号的效果不理想,因此,科学家们正在寻找电子管的替代品。尽管在1929年,当时工程师利莲费尔德就已经取得一种晶体管的专利。但是,限于当时的技术水平,制造这种器件的材料达不到足够的纯度,而使这种晶体管无法制造出来。
若不是第二次世界大战爆发,贝尔实验室肖克莱和布拉顿或许更早就“挖掘”到了“珍宝”,然而,战争毕竟来临了,肖克利和布拉顿先后被派往美国海军部从事军事方面的研究,刚刚开始的半导体课题遗憾地被战火中断。
第二次世界大战结束后,贝尔实验室加紧了对固体电子器件的基础研究。肖克莱等人决定集中研究硅、锗等半导体材料,探讨用半导体材料制作放大器件的可能性。
1945年秋天,贝尔实验室成立了以肖克莱为首的半导体研究小组,成员有布拉顿、巴丁等人。布拉顿早在1929年就开始在这个实验室工作,长期从事半导体的研究,积累了丰富的经验。他们经过一系列的实验和观察,逐步认识到半导体中电流放大效应产生的原因。
布拉顿发现,在锗片的底面接上电极,在另一面插上细针并通上电流,然后让另一根细针尽量靠近它,并通上微弱的电流,这样就会使原来的电流产生很大的变化。微弱电流少量的变化,会对另外的电流产生很大的影响,这就是“放大”作用。
布拉顿等人,还想出有效的办法,来实现这种放大效应。他们在发射极和基极之间输入一个弱信号,在集电极和基极之间的输出端,就放大为一个强信号了。在现代电子产品中,上述晶体三极管的放大效应得到广泛的应用。
巴丁和布拉顿最初制成的固体器件的放大倍数为50左右。不久之后,他们利用两个靠得很近(相距0.05毫米)的触须接点,来代替金箔接点,制造了“点接触型晶体管”。1947年12月,这个世界上最早的实用半导体器件终于问世了,在首次试验时,它能把音频信号放大100倍,它的外形比火柴棍短,但要粗一些。
发明人威廉姆·肖克莱(William Shockley)、沃特·巴丁(Walter BraTtain)、约翰·布拉顿(John Bardeen)三位科学家共同获得了1956年度的诺贝尔物理学奖
1948年,美国专利局批准了贝尔实验室这种被命名为晶体管的发明专利。然而,专利书上的发明人只列着布拉顿和巴丁。肖克利看后,一笑置之,表现出真正的"大将风度"。此后,肖克利一举攻克晶体管中的另一座"堡垒":他发明了一种"结型晶体管",离布拉顿和巴丁发明"点接触型晶体管"的时间仅隔一年。人们后来知道,结型晶体管才是现代晶体管的正宗始祖,它不仅预示着半导体技术的发展方向,而且是肖克利坚韧不拔的精神体现,以致有人诙谐地给它起了个绰号叫"坚持管"。
当时“晶体管”被发明后需要命名,贝尔实验室想了好几个,什么“半导体三极真空管”、“固态三极真空管”、“表面状态三极真空管”、“晶体三极真空管”、“Iotatron”等。但最终John Pierce提出并采用了“晶体管”一词。
Pierce回忆说:“我之所以提出这个名字,着重考虑了该器件是做什么的。那时,它本应该是电子管的复制品。电子管有跨导,晶体管就应该有跨阻”此外,这个器件的名称应当与变阻器、电热调节器等其它器件名称相匹配。于是我建议采用“晶体管”这个名字。由于点接触型晶体管制造工艺复杂,致使许多产品出现故障,它还存在噪声大、在功率大时难于控制、适用范围窄等缺点。为了克服这些缺点,肖克莱提出了用一种“整流结”来代替金属半导体接点的大胆设想。半导体研究小组又提出了这种半导体器件的工作原理。
1950年,第一只“PN结型晶体管”问世了,它的性能与肖克莱原来设想的完全一致。今天的晶体管,大部分仍是这种PN结型晶体管。1956年,肖克利、巴丁、布拉顿三人,因发明晶体管同时荣获诺贝尔物理学奖。
虽然晶体管的重要性起初不被理解。但是贝尔实验室名誉总裁 Ian M. Ross 在一篇 IEEE 文章中写道晶体管的发明“使我们的社会发生了伟大变革,这场变革的深远意义不亚于钢铁的发现、蒸汽机的发明以及英国工业革命。”
原子尺度的单电子晶体管 SketchSET
晶体管发展至今,一个芯片可以包括几十个亿晶体管。但目前又出现一种新型的碳纳米管更小,用它来替代硅可以制造更小的、更快的、更节能的晶体管。碳纳米管的直径可以小到1纳米,而人类的DNA直径一般是2.5纳米。
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