晶体管

简介

　　晶体管是一种半导体器件，放大器或电控开关常用。晶体管是规范操作电脑，手机，和所有其他现代电子电路的基本构建块。

　　由于其响应速度快，准确性高，晶体管可用于各种各样的数字和模拟功能，包括放大，开关，稳压，信号调制和振荡器。

　　晶体管可独立包装或在一个非常小的的区域，可容纳一亿或更多的晶体管集成电路的一部分。

历史

　　1947年12月，美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。晶体管的问世，是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声。晶体管出现后，人们就能用一个小巧的、消耗功率低的电子器件，来代替体积大、功率消耗大的电子管了。晶体管的发明又为后来集成电路的诞生吹响了号角。

　　20世纪最初的10年，通信系统已开始应用半导体材料。20世纪上半叶，在无线电爱好者中广泛流行的矿石收音机，就采用矿石这种半导体材料进行检波。半导体的电学特性也在电话系统中得到了应用。

　　晶体管的发明，最早可以追溯到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。

　　由于电子管处理高频信号的效果不理想，人们就设法改进矿石收音机中所用的矿石触须式检波器。在这种检波器里，有一根与矿石（半导体）表面相接触的金属丝（像头发一样细且能形成检波接点），它既能让信号电流沿一个方向流动，又能阻止信号电流朝相反方向流动。在第二次世界大战爆发前夕，贝尔实验室在寻找比早期使用的方铅矿晶体性能更好的检波材料时，发现掺有某种极微量杂质的锗晶体的性能不仅优于矿石晶体，而且在某些方面比电子管整流器还要好。

在第二次世界大战期间，不少实验室在有关硅和锗材料的制造和理论研究方面，也取得了不少成绩，这就为晶体管的发明奠定了基础。

为了克服电子管的局限性，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。

　　在为这种器件命名时，布拉顿想到它的电阻变换特性，即它是靠一种从“低电阻输入”到“高电阻输出”的转移电流来工作的，于是取名为trans-resistor(转换电阻)，后来缩写为transistor，中文译名就是晶体管。

　　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。(所谓PN结就是P型和N型的结合处。P型多空穴。N型多电子。)

　　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。

里程碑

　　1947年12月16日：威廉·邵克雷（William Shockley）、约翰·巴顿（John Bardeen）和沃特·布拉顿（Walter Brattain）成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。

　　1950年：威廉·邵克雷开发出双极晶体管（Bipolar JunctionTransistor），这是现在通行的标准的晶体管。

　　1953年：第一个采用晶体管的商业化设备投入市场，即助听器。

　　1954年10月18日：第一台晶体管收音机Regency TR1投入市场，仅包含4只锗晶体管。

　　1961年4月25日：第一个集成电路专利被授予罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）。最初的晶体管对收音机和电话而言已经足够，但是新的电子设备要求规格更小的晶体管，即集成电路。

　　1965年：摩尔定律诞生。当时，戈登·摩尔（Gordon Moore）预测，未来一个芯片上的晶体管数量大约每18个月翻一倍(至今依然基本适用)，摩尔定律在Electronics Magazine杂志一篇文章中公布。

　　1968年7月：罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔从仙童（Fairchild）半导体公司辞职，创立了一个新的企业，即英特尔公司，英文名Intel为“集成电子设备（integrated electronics）”的缩写。

　　1969年：英特尔成功开发出第一个PMOS硅栅晶体管技术。这些晶体管继续使用传统的二氧化硅栅介质，但是引入了新的多晶硅栅电极。

　　1971年：英特尔发布了其第一个微处理器4004。4004规格为1/8英寸 x 1/16英寸，包含仅2000多个晶体管，采用英特尔10微米PMOS技术生产。

　　1972年，英特尔发布了第一个8位处理器8008。

　　1978年，英特尔发布了第一款16位处理器8086。含有2.9万个晶体管。

　　1978年：英特尔标志性地把英特尔8088微处理器销售给IBM新的个人电脑事业部，武装了IBM新产品IBM PC的中枢大脑。16位8088处理器为8086的改进版，含有2.9万个晶体管，运行频率为5MHz、8MHz和10MHz。8088的成功推动英特尔进入了财富(FORTUNE) 500强企业排名，《财富(FORTUNE)》杂志将英特尔公司评为“70年代商业奇迹之一（Business Triumphs of the Seventies）”。

　　1982年：286微处理器(全称80286，意为“第二代8086”)推出，提出了指令集概念，即现在的x86指令集，可运行为英特尔前一代产品所编写的所有软件。286处理器使用了13400个晶体管，运行频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。

　　1985年：英特尔386微处理器问世，含有27.5万个晶体管，是最初4004晶体管数量的100多倍。386是32位芯片，具备多任务处理能力，即它可在同一时间运行多个程序。

　　1993年：英特尔·奔腾·处理器问世，含有3百万个晶体管，采用英特尔0.8微米制程技术生产。

　　1999年2月：英特尔发布了奔腾·III处理器。奔腾III是1x1正方形硅，含有950万个晶体管，采用英特尔0.25微米制程技术生产。

　　2002年1月：英特尔奔腾4处理器推出，高性能桌面台式电脑由此可实现每秒钟22亿个周期运算。它采用英特尔0.13微米制程技术生产，含有5500万个晶体管。

　　2002年8月13日：英特尔透露了90纳米制程技术的若干技术突破，包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。

　　2003年3月12日：针对笔记本的英特尔·迅驰·移动技术平台诞生，包括了英特尔最新的移动处理器“英特尔奔腾M处理器”。该处理器基于全新的移动优化微体系架构，采用英特尔0.13微米制程技术生产，包含7700万个晶体管。

　　2005年5月26日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器”诞生，含有2.3亿个晶体管，采用英特尔领先的90纳米制程技术生产。

　　2006年7月18日：英特尔安腾2双核处理器发布，采用世界最复杂的产品设计，含有2.7亿个晶体管。该处理器采用英特尔90纳米制程技术生产。

　　2006年7月27日：英特尔·酷睿2双核处理器诞生。该处理器含有2.9亿多个晶体管，采用英特尔65纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生产。

　　2006年9月26日：英特尔宣布，超过15种45纳米制程产品正在开发，面向台式机、笔记本和企业级计算市场，研发代码Penryn，是从英特尔酷睿微体系架构派生而出。　　

　　2007年1月8日：为扩大四核PC向主流买家的销售，英特尔发布了针对桌面电脑的65纳米制程英特尔酷睿2四核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔酷睿2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。

　　2007年1月29日：英特尔公布采用突破性的晶体管材料即高-k栅介质和金属栅极。英特尔将采用这些材料在公司下一代处理器——英特尔酷睿2双核、英特尔酷睿2四核处理器以及英特尔至强系列多核处理器的数以亿计的45纳米晶体管或微小开关中用来构建绝缘“墙”和开关“门”，研发代码Penryn。

　　2010年11月，NVIDIA发布全新的GF110核心，含30亿个晶体管，采用先进的40纳米工艺制造。

　　2011年05月05 日：英特尔成功开发世界首个3D晶体管，称为tri-Gate。除了英特尔将3D晶体管应用于22纳米工艺之后，三星，GlobalFoundries，台积电和台联电都计划将类似于Intel的3D晶体管技术应用到14纳米节点

优越性

　　同电子管相比，晶体管具有诸多优越性：

构件没有消耗

无论多么优良的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。由于技术上的原因，晶体管制作之初也存在同样的问题。随着材料制作上的进步以及多方面的改善，晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍，称得起永久性器件的美名。

消耗电能极少

仅为电子管的十分之一或几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去，这对电子管收音机来说，是难以做到的。

不需预热

一开机就工作。例如，晶体管收音机一开就响，晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。开机后，非得等一会儿才听得到声音，看得到画面。显然，在军事、测量、记录等方面，晶体管是非常有优势的。

结实可靠

比电子管可靠100倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管所无法比拟的。另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度。