現(xiàn)代計算機通過執(zhí)行幾十年前幾乎不可能實現(xiàn)的任務(wù)，正在不斷改變我們的生活。各種各樣的創(chuàng)新使現(xiàn)代計算機（如我們今天所知）得以實現(xiàn)。但是，有一項基本發(fā)明幾乎是所有其他事物所依賴的，那就是不起眼的晶體管。讓我們看看這個不起眼的設(shè)備是如何變成的。

對晶體管的需求

從本質(zhì)上講，所有計算機基本上都是執(zhí)行數(shù)學運算的機器。最早的是手動計數(shù)設(shè)備，例如算盤，而將來開發(fā)的設(shè)備是使用機械零件。使這些設(shè)備成為“計算機”的原因是擁有一種成功代表數(shù)字的方法和一種操縱數(shù)字的系統(tǒng)。電子計算機以相同的方式工作，但是數(shù)字代替物理布置，而是用電壓表示。布爾邏輯只有兩個可能的值– true（1）和false（0），在電子計算機中開始發(fā)揮作用。在電子計算機中，方程是通過產(chǎn)生1或0輸出的邏輯門電路執(zhí)行的。對于更高級的操作，這些電路被融合在一起。計算機程序由一組指令組成，詳細說明了如何執(zhí)行這些操作。

但是，該系統(tǒng)需要可靠且準確的方法來控制電流。 早期的電子計算機，例如1946年開發(fā)的ENIAC（電子數(shù)值積分器和計算器），使用一種稱為真空管的設(shè)備來控制電壓。在這種計算機中使用的真空管笨重且不可靠。它們還消耗了荒謬的功率并產(chǎn)生了過多的熱量，從而縮短了這些燈管的使用壽命。另一方面，該晶體管要比真空管小得多，并且所用的功率要少得多。另外，由于晶體管使用較少的功率，所以產(chǎn)生的熱量最小。因此，它不會像真空管那樣經(jīng)常失敗。該晶體管使用半導(dǎo)體代替真空管中使用的電極。用不同的元素（例如磷和硼）處理半導(dǎo)體（例如硅），以生成發(fā)射電子的“ N型”和吸收電子的“ P型”。它們被安排為NPN（典型的NPN晶體管），并在發(fā)射極，基極和集電極各放置一個端子。在這種晶體管中，輸入電壓的微小變化可用于在高電壓和低電壓之間快速切換。

晶體管使現(xiàn)代計算機得以發(fā)展。ENIAC是一臺重達30噸的大型計算機，有網(wǎng)球場那么大！相比之下，單個具有指甲大小的微處理器（包含數(shù)十億個晶體管）現(xiàn)在可以超越ENIAC的功能。底座和收集器。在這種晶體管中，輸入電壓的微小變化可用于在高電壓和低電壓之間快速切換。晶體管使現(xiàn)代計算機得以發(fā)展。ENIAC是一臺重達30噸的大型計算機，只有網(wǎng)球場那么大！相比之下，單個具有指甲大小的微處理器（包含數(shù)十億個晶體管）現(xiàn)在可以超越ENIAC的功能。

尋求替代解決方案的動力

在1920年代，研究人員開始研究使用半導(dǎo)體來放大和切換電話設(shè)備中的信號。在1930年代，貝爾實驗室的美國物理學家和工程師Marvin Kelly決定尋求制造某種形式的固態(tài)設(shè)備。他決定挑戰(zhàn)William Shockley，Jack Scaff，Russell Ohl等許多同事，研究替代真空管的半導(dǎo)體技術(shù)。他知道真空管太不可靠了，無法成為無縫電子產(chǎn)品的最終解決方案。 Russel Ohl開始研究硅晶體，以及如果獲得N型或P型硅，硅晶體的制備會如何影響。整流發(fā)生的方向定義了硅的類型。Ohl還能夠開發(fā)出一個樣品，其中頂部為p型區(qū)域，而底部為n型區(qū)域。他發(fā)現(xiàn)當光照射到它上時，它會產(chǎn)生電壓。

第二次世界大戰(zhàn)后的1945年，Shockley開始試驗改良的半導(dǎo)體材料，這些材料是為戰(zhàn)爭中使用的雷達探測器開發(fā)的。他研究了一種場效應(yīng)放大器，該放大器類似于奧匈帝國物理學家Julius E. Lilienfeld于1926年以及德國物理學家Oskar Heil博士于1934年申請的專利。但是，當物理學家John Bardeen提出存在于半導(dǎo)體表面的電子可能阻礙電場向材料中的滲透時，這一突破就來了。在William Shockley的支持和另一位物理學家Walter Brattain幫助下，John Bardeen開始研究這些“表面狀態(tài)”的行為。 到1947年11月下旬，Bardeen和Brattain設(shè)法制造出一種可工作的晶體管，直到1947年12月16日，他們一直在不斷改進這種晶體管。在這一天，他們的研究最終達到了用硅制成的工作“點接觸”晶體管的頂峰。坐在鍺晶體上的兩個金箔觸點。它也被稱為“ PNP點接觸鍺晶體管”。他們于12月23日進行了巡回演示，向貝爾實驗室展示了該固態(tài)設(shè)備的工作原理。Bardeen和Brattain還花了一些時間為其發(fā)明申請專利，并批準將其公開發(fā)布給軍隊。1948年6月，貝爾實驗室正式宣布了革命性的固態(tài)設(shè)備，他們稱之為“晶體管”。

然而，Shockley繼續(xù)構(gòu)建由Bardeen和Brattain創(chuàng)建的第一個工作晶體管的更可靠和可復(fù)制的版本。他很成功，并于1952年推出了他的雙極結(jié)型晶體管。它是由沒有觸點的固態(tài)半導(dǎo)體材料制成的。本發(fā)明優(yōu)于點接觸型，并在接下來的30年中主導(dǎo)了整個行業(yè)。他申請了晶體管效應(yīng)和晶體管放大器的專利。1956年，貝爾實驗室的所有三位物理學家，William Shockley, Walter Brattain 和 John Bardeen 因其貢獻而被授予諾貝爾物理學獎。

改進和商業(yè)采用

1952年，結(jié)型晶體管首次用于商業(yè)產(chǎn)品，即Sonotone助聽器。此后，在1954年，制造了第一臺晶體管收音機Regency TR1。不斷開發(fā)不同的制造方法以生產(chǎn)更快，更便宜和更可靠的晶體管。另一個重要的進步是1954年制造的硅晶體管，首先是貝爾實驗室的Morris Tanenbaum制造的，此后不久，由化學家Willis Adcock領(lǐng)導(dǎo)的德州儀器（TI）的一個團隊制造了這種晶體管。到50年代末，硅已成為制造晶體管的行業(yè)首選材料，德州儀器（TI）成為主要的半導(dǎo)體供應(yīng)商。 位于加利福尼亞州硅谷的一家初創(chuàng)公司創(chuàng)建了Fairchild公司。1958年，他們推出了雙擴散硅臺面晶體管，并在商業(yè)上取得了巨大成功。此后不久，瑞士物理學家Jean Hoerni創(chuàng)造了革命性的平面工藝，將晶體管的制造過程從半手工操作轉(zhuǎn)變?yōu)榇笈康淖詣踊a(chǎn)過程。這也為現(xiàn)代IC（集成電路）的開發(fā)鋪平了道路。

1959年，Lilienfeld和Heil的想法激發(fā)了韓國電氣工程師Dawon Kahng的興趣，他建造了第一個成功的場效應(yīng)晶體管（FET），該晶體管由金屬，氧化物和硅層組成。通常被簡化為MOS的MOSFET（金屬，氧化物，硅場效應(yīng)晶體管）有望成為更小，更便宜且功耗更低的晶體管。Fairchild和RCA等公司于1964年向公眾推出了商用MOS晶體管。然而，僅僅十年后，它們就被計算機中的IC所取代。但是，在構(gòu)建高密度IC時，MOS晶體管被證明是最實用的方法。現(xiàn)在，每天制造的數(shù)十億個晶體管是MOS器件。

責任編輯：xj

原文標題：科普 | 晶體管的起源

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