當(dāng)物理學(xué)家開始嘗試創(chuàng)造它的繼任者時(shí)，真空管三極管還不到 20 歲，而且賭注巨大。在當(dāng)時(shí)，三極管不僅使長(zhǎng)途電話和電影聲音成為可能，它還推動(dòng)了整個(gè)商業(yè)無(wú)線電行業(yè)的發(fā)展，這個(gè)行業(yè)在 1929 年價(jià)值超過 10 億美元。但是真空管耗電且脆弱。如果能找到一種更堅(jiān)固、更可靠、更高效的三極管替代品，回報(bào)將是巨大的。 因此他們將目光投向了由半導(dǎo)體制成的三端設(shè)備，可以將低電流信號(hào)接收到輸入端子，并用它來(lái)控制在其他兩個(gè)端子之間流動(dòng)的較大電流，從而放大原始信號(hào)。這種設(shè)備的基本原理是所謂的場(chǎng)效應(yīng)——電場(chǎng)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性的能力。得益于二極管和對(duì)半導(dǎo)體的相關(guān)研究，場(chǎng)效應(yīng)在當(dāng)時(shí)已經(jīng)廣為人知。 但二十多年來(lái)，建造這樣一個(gè)設(shè)備對(duì)一些世界頂級(jí)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)是一個(gè)無(wú)法克服的挑戰(zhàn)。類晶體管設(shè)備的專利 從 1925 年開始申請(qǐng)，但（legendary point-contact ）第一個(gè)工作晶體管的記錄實(shí)例是 1947 年秋天在 AT&T 貝爾電話實(shí)驗(yàn)室制造的傳奇點(diǎn)接觸設(shè)備。

在點(diǎn)接觸（point-contact）的剖視圖中，可以看到兩個(gè)細(xì)導(dǎo)體；這些連接到與一小塊鍺接觸的點(diǎn)。這些點(diǎn)之一是發(fā)射極，另一個(gè)是集電極。第三個(gè)觸點(diǎn)，即基極，連接到鍺的反面。

盡管點(diǎn)接觸（point-contact）晶體管是 20 世紀(jì)最重要的發(fā)明，但令人驚訝的是，人們對(duì)于它的實(shí)際工作原理并沒有清晰、完整和權(quán)威的描述?，F(xiàn)代的、更堅(jiān)固的結(jié)型和平面型晶體管依賴于半導(dǎo)體本體中的物理特性，而不是第一個(gè)晶體管中利用的表面效應(yīng)。并且很少有人關(guān)注學(xué)術(shù)上的這種差距。 這是一個(gè)看起來(lái)很笨拙的鍺、塑料和金箔的組合，頂部都有一個(gè)彎曲的彈簧。它的發(fā)明者是一位說(shuō)話溫和的中西部理論家John Bardeen，以及一位健談且“ 有些反復(fù)無(wú)?！钡膶?shí)驗(yàn)家Walter Brattain。兩人都在威廉·肖克利 (William Shockley) 手下工作，這段關(guān)系后來(lái)被證明是有爭(zhēng)議的。1947 年 11 月，Bardeen 和 Brattain 遇到了一個(gè)簡(jiǎn)單的問題。在他們使用的鍺半導(dǎo)體中，電子表面層似乎阻擋了施加的電場(chǎng)，阻止它穿透半導(dǎo)體并調(diào)節(jié)電流。這就使得沒有調(diào)制，沒有信號(hào)放大。 1947 年晚些時(shí)候，他們想出了一個(gè)解決方案。它的特點(diǎn)是兩片幾乎沒有分開的金箔被彎曲的彈簧輕輕推入一小塊鍺的表面。 教科書和流行的說(shuō)法都傾向于忽略點(diǎn)接觸晶體管的機(jī)制，而傾向于解釋其最近的后代是如何工作的。事實(shí)上，當(dāng)前版本的本科電子工程圣經(jīng)——The Art of Electronics by Horowitz and Hill——根本沒有提到點(diǎn)接觸晶體管，通過錯(cuò)誤地指出結(jié)型晶體管是在1947年獲得諾貝爾發(fā)明獎(jiǎng)。但是1947年發(fā)明的晶體管是點(diǎn)接觸的，結(jié)型晶體管由肖克利于 19 48年發(fā)明。 因此，在 1956 年約翰·巴丁 (John Bardeen) 的諾貝爾獎(jiǎng)演講中包含了對(duì)點(diǎn)接觸晶體管最全面的解釋，這在某種程度上似乎是恰當(dāng)?shù)?。即便如此，閱讀它也會(huì)讓您感覺到一些細(xì)節(jié)甚至連發(fā)明者自己也可能無(wú)法理解. “很多人對(duì)點(diǎn)接觸晶體管感到困惑，”明尼蘇達(dá)大學(xué)查爾斯巴貝奇科學(xué)技術(shù)史研究所前所長(zhǎng) Thomas Misa 說(shuō)。 Bardeen 演講一年后，后來(lái)繼續(xù)在電力電子領(lǐng)域做開創(chuàng)性工作的加州理工學(xué)院電氣工程教授 RD Middlebrook 寫道：“由于器件的三維特性，理論分析很困難，內(nèi)部操作事實(shí)上，還沒有完全理解。” 盡管如此，借助 75 年的半導(dǎo)體理論，我們開始嘗試解析一下吧。 點(diǎn)接觸晶體管是圍繞拇指大小的 n型鍺板構(gòu)建的，該板具有過量的帶負(fù)電的電子。這塊板經(jīng)過處理后產(chǎn)生了一個(gè)非常薄的p型表面層，這意味著它具有過量的正電荷。這些正電荷被稱為空穴。它們實(shí)際上是電子的局部缺陷，這些電子在半導(dǎo)體的原子之間移動(dòng)，就像真實(shí)的粒子一樣。電接地電極連接到該板的底部，形成晶體管的基極。接觸表面的兩條金箔又形成了兩個(gè)電極，稱為發(fā)射極和集電極。 這就是設(shè)置。在工作中，一個(gè)小的正電壓——只有幾分之一伏特——被施加到發(fā)射極，而一個(gè)更大的負(fù)電壓——4 到 40 伏特——被施加到集電極，所有這些都是參考接地的基極。p型層和n型板之間的界面形成了一個(gè)結(jié)，就像在二極管中發(fā)現(xiàn)的結(jié)一樣：本質(zhì)上，結(jié)是一個(gè)勢(shì)壘，允許電流僅在一個(gè)方向上輕松流動(dòng)，即流向較低的電壓。因此電流可以從正發(fā)射極流過勢(shì)壘，而沒有電流可以流過勢(shì)壘進(jìn)入集電極。

Western Electric Type-2點(diǎn)接觸晶體管是第一個(gè)大批量生產(chǎn)的晶體管，1951 年，Western Electric 位于賓夕法尼亞州阿倫敦的工廠。到 1960 年，拍攝這張照片時(shí)，該工廠已轉(zhuǎn)而生產(chǎn)結(jié)型晶體管.

現(xiàn)在，讓我們看看原子之間發(fā)生了什么。首先，我們斷開集電極（collector ），看看沒有它的發(fā)射器周圍會(huì)發(fā)生什么。發(fā)射極將正電荷（空穴）注入 p型層，它們開始向基極移動(dòng)。但他們不會(huì)直奔它。薄層迫使它們?cè)诖┻^勢(shì)壘進(jìn)入n型平板之前橫向展開一段距離?？紤]將少量細(xì)粉慢慢倒在水面上。粉末最終會(huì)下沉，但首先會(huì)散開成一個(gè)粗略的圓圈。 現(xiàn)在我們連接收集器。盡管它本身不能通過 p - n結(jié)的勢(shì)壘吸收電流，但它的大負(fù)電壓和尖銳的形狀確實(shí)會(huì)導(dǎo)致集中電場(chǎng)穿透鍺。因?yàn)榧姌O離發(fā)射極很近，而且也帶負(fù)電，所以它開始吸收許多從發(fā)射極散開的空穴。這種電荷流導(dǎo)致空穴集中在p - n附近收集器下方的屏障。這種濃度有效地降低了勢(shì)壘的“高度”，否則會(huì)阻止電流在集電極和基極之間流動(dòng)。隨著勢(shì)壘降低，電流開始從基極流入集電極——比發(fā)射極流入晶體管的電流大得多。 電流量取決于勢(shì)壘的高度。發(fā)射極電壓的小幅下降或上升會(huì)分別導(dǎo)致勢(shì)壘上下波動(dòng)。因此，發(fā)射極電流的微小變化控制著集電極的巨大變化，瞧！放大。（電子工程師會(huì)注意到，與后來(lái)的晶體管相比，基極和發(fā)射極的功能是相反的，在后來(lái)的晶體管中，控制晶體管響應(yīng)的是基極，而不是發(fā)射極。） 盡管它笨拙且脆弱，但它是一個(gè)半導(dǎo)體放大器，它的后代將改變世界。它的發(fā)明者知道這一點(diǎn)。決定性的一天是 1947 年 12 月 16 日，當(dāng)時(shí) Brattain 萌生了使用由一條金箔帶束縛的塑料三角形的想法，那個(gè)微小的縫隙將發(fā)射極和集電極觸點(diǎn)分開。這種配置提供了可靠的功率增益，兩人當(dāng)時(shí)就知道他們成功了。那天晚上在拼車回家時(shí)，Brattain告訴他的同伴他剛剛完成了“我一生中做過的最重要的實(shí)驗(yàn)”，并向他們發(fā)誓要保密。沉默寡言的Bardeen也忍不住分享了這個(gè)消息。據(jù)報(bào)道，當(dāng)他的妻子Jane那天晚上準(zhǔn)備晚餐時(shí)，他簡(jiǎn)單地說(shuō)：“我們今天發(fā)現(xiàn)了一些東西” 隨著他們的孩子在廚房里蹦蹦跳跳，她回答說(shuō)：“很好，親愛的。” 它終于變成了一個(gè)晶體管，但它非常搖搖晃晃。發(fā)明人后來(lái)想到了通過在晶體管制造過程中使大電流通過集電極來(lái)電氣形成集電極的想法。這種技術(shù)使他們能夠獲得更大的電流，而電流并沒有那么緊密地限制在表層內(nèi)。不過，電氣成型有點(diǎn)碰運(yùn)氣?！八麄冎粫?huì)扔掉那些不起作用的，”Misa 指出。 盡管如此， 在 AT&T 的許可下，許多公司開始生產(chǎn)點(diǎn)接觸晶體管，并于 1951 年在 AT&T 自己的制造部門 Western Electric 投入生產(chǎn)。它們被用于助聽器、振蕩器、電話路由設(shè)備、RCA 制造的實(shí)驗(yàn)性電視接收器、第一臺(tái)機(jī)載數(shù)字計(jì)算機(jī)Tradic以及其他系統(tǒng)。事實(shí)上，點(diǎn)接觸晶體管一直生產(chǎn)到 1966 年，部分原因是與替代品相比它們具有更高的速度。 貝爾實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)并不是唯一成功開發(fā)晶體管的團(tuán)隊(duì)。在巴黎東北郊區(qū)的 Aulnay-sous-Bois，兩位德國(guó)物理學(xué)家 Herbert Mataré 和 Heinrich Welker 也在嘗試建造一個(gè)三端半導(dǎo)體放大器。在 Westinghouse 的一家法國(guó)子公司工作時(shí)，他們正在跟進(jìn) Mataré在 1944 年為德國(guó)軍方開發(fā)鍺和硅整流器時(shí)所做的非常有趣的觀察。兩人于 1948 年 6 月成功制造出可靠的點(diǎn)接觸晶體管。 大約一周后，當(dāng)貝爾實(shí)驗(yàn)室在 1948 年 6 月 30 日的新聞發(fā)布會(huì)上終于透露了他們自己的晶體管的消息時(shí)，他們感到震驚。盡管它們是完全獨(dú)立地秘密開發(fā)的，但這兩種設(shè)備或多或少是相同的. 在這里，晶體管的故事發(fā)生了奇怪的轉(zhuǎn)折，它的光彩令人嘆為觀止，但細(xì)節(jié)也令人不安。Bardeen 和 Brattain 的老板威廉·肖克利 (William Shockley)對(duì)晶體管的原始專利申請(qǐng)中只有Bardeen 和 Brattain 的名字感到憤怒。他確信Bardeen 和 Brattain 只是把他關(guān)于在半導(dǎo)體中使用場(chǎng)的理論編入他們的工作裝置中，并沒有給予他足夠的信任。然而在 1945 年，肖克利基于這些理論制造了一個(gè)晶體管，但沒有成功。

1953 年，RCA 工程師 Gerald Herzog 領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)并制造了第一臺(tái)“全晶體管”電視（雖然，是的，它有一個(gè)陰極射線管）。該團(tuán)隊(duì)使用了 RCA 在貝爾實(shí)驗(yàn)室許可下生產(chǎn)的點(diǎn)接觸晶體管。

12 月底，在點(diǎn)接觸晶體管取得初步成功后不到兩周，肖克利前往芝加哥參加美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)。新年前夕，他躲在旅館房間里，在強(qiáng)烈的嫉妒和憤慨的驅(qū)使下，開始設(shè)計(jì)自己的晶體管。在三天內(nèi)，他潦草地寫了大約 30 頁(yè)的筆記。到月底，他已經(jīng)完成了后來(lái)被稱為雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 的基本設(shè)計(jì)，這種晶體管最終將取代點(diǎn)接觸晶體管，并在 70 年代末之前一直占據(jù)主導(dǎo)地位。

憑借從貝爾實(shí)驗(yàn)室的工作中收集到的見解，RCA 于 1948 年開始開發(fā)自己的點(diǎn)接觸晶體管。該小組包括此處所示的七個(gè)——其中四個(gè)用于 RCA 于 1953 年制造的22晶體管電視機(jī)。這四個(gè)是TA153 [頂行，左數(shù)第二]，TA165 [頂，最右邊]，TA156 [底行，中間] 和 TA172 [底，右]。

BJT 基于肖克利的信念，即電荷可以而且應(yīng)該流過體半導(dǎo)體，而不是流過其表面的薄層。該 器件由三個(gè)半導(dǎo)體層組成，就像一個(gè)三明治：發(fā)射極、中間的基極和集電極。它們交替摻雜，因此有兩個(gè)版本：n-型/ p-型/ n-型，稱為“NPN”和p-型/ n-型/ p-型，稱為“PNP”。 BJT 基本上依賴于與點(diǎn)接觸相同的原理，但它使用兩個(gè) p - n結(jié)而不是一個(gè)。當(dāng)用作放大器時(shí)，加在基極上的正電壓允許小電流在它和發(fā)射極之間流動(dòng)，這反過來(lái)控制集電極和發(fā)射極之間的大電流。 考慮一個(gè) NPN 設(shè)備。底座是 p型的，所以有多余的孔。但它很薄，摻雜很輕，所以空穴相對(duì)較少。一小部分流入的電子與這些空穴結(jié)合并從循環(huán)中移除，而絕大多數(shù)（超過 97%）的電子繼續(xù)流過薄基極并進(jìn)入集電極，從而形成強(qiáng)大的電流。 但是那些與空穴結(jié)合的少數(shù)電子必須從基極中排出，以保持基極的 p型性質(zhì)和通過它的強(qiáng)大電流?！胺@”電子的移除是通過相對(duì)較小的電流流過基極來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電流的涓流使更強(qiáng)的電流流入集電極，然后流出集電極并進(jìn)入集電極電路。因此，實(shí)際上，較小的基極電流正在控制較大的集電極電路。 電場(chǎng)開始發(fā)揮作用，但它們不會(huì)調(diào)節(jié)電流，而早期的理論家認(rèn)為這種情況必須發(fā)生才能使這種設(shè)備發(fā)揮作用。要點(diǎn)如下：BJT 中的兩個(gè) p - n結(jié)都被耗盡區(qū)跨越，電子和空穴在耗盡區(qū)結(jié)合，移動(dòng)電荷載流子相對(duì)較少。施加在結(jié)點(diǎn)上的電壓在每個(gè)結(jié)點(diǎn)處建立電場(chǎng)，從而推動(dòng)電荷穿過這些區(qū)域。這些場(chǎng)使電子能夠從發(fā)射極一路流過基極，然后進(jìn)入集電極。 在 BJT 中，“施加的電場(chǎng)會(huì)影響載流子密度，但由于這種效應(yīng)是指數(shù)級(jí)的，因此只需一點(diǎn)點(diǎn)就能產(chǎn)生大量擴(kuò)散電流，”哥倫比亞大學(xué)電氣工程系主任 Ioannis “John” Kymissis 解釋說(shuō)。

最早的晶體管是一種稱為點(diǎn)接觸的類型，因?yàn)樗鼈円蕾囉诮佑|半導(dǎo)體表面的金屬觸點(diǎn)。他們通過使用施加的電壓克服電荷流動(dòng)的障礙來(lái)增加輸出電流（在上圖中標(biāo)記為“集電極電流”）。輸入或“發(fā)射極”電流的微小變化會(huì)調(diào)制此勢(shì)壘，從而控制輸出電流。

雙極結(jié)型晶體管使用幾乎相同的原理實(shí)現(xiàn)放大，但具有兩個(gè)半導(dǎo)體界面或結(jié)，而不是一個(gè)。與點(diǎn)接觸晶體管一樣，施加的電壓克服勢(shì)壘并使電流流動(dòng)，該電流由較小的輸入電流調(diào)制。特別地，半導(dǎo)體結(jié)被耗盡區(qū)橫跨，電荷載流子在電場(chǎng)的影響下擴(kuò)散穿過耗盡區(qū)。

BJT 比點(diǎn)接觸晶體管更堅(jiān)固可靠，這些特性為它的偉大做好了準(zhǔn)備。但這需要一段時(shí)間才能變得明顯。BJT 是用于制造集成電路的技術(shù)，從 1960 年代初期的第一批一直到 70 年代后期，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 開始流行。事實(shí)上，正是這些場(chǎng)效應(yīng)晶體管，首先是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，然后是 MOSFET，才最終實(shí)現(xiàn)了幾十年來(lái)基于場(chǎng)效應(yīng)運(yùn)行的三端半導(dǎo)體器件的夢(mèng)想——肖克利最初的抱負(fù)。 在 20 世紀(jì) 50 年代初期幾乎無(wú)法想象如此美好的未來(lái)，當(dāng)時(shí) AT&T 和其他公司正在努力想出實(shí)用而有效的方法來(lái)制造新的 BJT。肖克利本人繼續(xù)將硅放入硅谷。他搬到了帕洛阿爾托，并于 1956 年創(chuàng)立了一家公司，引領(lǐng)電子半導(dǎo)體從鍺到硅的轉(zhuǎn)變。他公司的員工后來(lái)創(chuàng)立了 Fairchild Semiconductor，然后是英特爾。 在他生命的后期，由于糟糕的管理而失去了公司后，他成為了斯坦福大學(xué)的教授，并開始傳播關(guān)于種族、遺傳學(xué)和智力的毫無(wú)根據(jù)和精神錯(cuò)亂的理論。1951 年，巴丁離開貝爾實(shí)驗(yàn)室，成為伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的教授，在那里他因超導(dǎo)理論獲得了第二次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。（他是唯一獲得過兩次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的人。）布拉頓一直在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作，直到 1967 年，他在華盛頓州沃拉沃拉的惠特曼學(xué)院任教。 肖克利 (Shockley) 于 1989 年靜靜地去世。但他的晶體管將改變世界，盡管直到 1953 年，BJT 是否會(huì)成為未來(lái)仍不明朗。在當(dāng)年的一次采訪中， 十年后繼續(xù)幫助建立 IEEE 的 Donald G. Fink 沉思道，“這是一個(gè)長(zhǎng)滿青春痘、現(xiàn)在笨拙但充滿希望的未來(lái)活力的青少年嗎？還是已經(jīng)成熟，滿是倦怠，被失望包圍？” 是前者，我們所有人的生活都因此而變得更好。

編輯：黃飛