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世界上第一个晶体管，是如何工作的？
世界上第一个晶体管，是如何工作的？
2019-12-10 11:54:58 只看该作者 倒序浏览
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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。
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。
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）。
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。
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。
这就是Brattain和Bardeen在1947年12月份发明的点接触三极管装置。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
第一个晶体管原理图和外观--正宗手工打造的三极管
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。
世界上第一个结型晶体三极管
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。
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。”
Brattain和他在1947年的关键实验手稿
来源：微信公众号 TsinghuaJoking
原文地址：https://www.cnblogs.com/wb4916/p/12164389.html