晶體管是什么

　　晶體管泛指一切以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的單一元件，晶體管具有檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制等多種功能，晶體管可用于各種各樣的數(shù)字和模擬功能。

　　1947年12月16日,威廉·肖克利（William Shockley）、約翰·巴頓（John Bardeen）和沃特·布拉頓（Walter Brattain）成功地在貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出第一個(gè)晶體管。

　　晶體管是現(xiàn)代電器的最關(guān)鍵的元件之一。晶體管之所以能夠大規(guī)模使用是因?yàn)樗芤詷O低的單位成本被大規(guī)模生產(chǎn)。

　　1947年12月，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組，研制出一種點(diǎn)接觸型的鍺晶體管。晶體管的問世，是20世紀(jì)的一項(xiàng)重大發(fā)明，是微電子革命的先聲。晶體管出現(xiàn)后，人們就能用一個(gè)小巧的、消耗功率低的電子器件，來代替體積大、功率消耗大的電子管了。晶體管的發(fā)明又為后來集成電路的誕生吹響了號角。20世紀(jì)最初的10年，通信系統(tǒng)已開始應(yīng)用半導(dǎo)體材料。20世紀(jì)上半葉，在無線電愛好者中廣泛流行的礦石收音機(jī)，就采用礦石這種半導(dǎo)體材料進(jìn)行檢波。半導(dǎo)體的電學(xué)特性也在電話系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。

　　晶體管的發(fā)明，最早可以追溯到1929年，當(dāng)時(shí)工程師利蓮費(fèi)爾德就已經(jīng)取得一種晶體管的專利。但是，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，制造這種器件的材料達(dá)不到足夠的純度，而使這種晶體管無法制造出來。

　　由于電子管處理高頻信號的效果不理想，人們就設(shè)法改進(jìn)礦石收音機(jī)中所用的礦石觸須式檢波器。在這種檢波器里，有一根與礦石（半導(dǎo)體）表面相接觸的金屬絲（像頭發(fā)一樣細(xì)且能形成檢波接點(diǎn)），它既能讓信號電流沿一個(gè)方向流動，又能阻止信號電流朝相反方向流動。在第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前夕，貝爾實(shí)驗(yàn)室在尋找比早期使用的方鉛礦晶體性能更好的檢波材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)摻有某種極微量雜質(zhì)的鍺晶體的性能不僅優(yōu)于礦石晶體，而且在某些方面比電子管整流器還要好。

　　在第二次世界大戰(zhàn)期間，不少實(shí)驗(yàn)室在有關(guān)硅和鍺材料的制造和理論研究方面，也取得了不少成績，這就為晶體管的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。

　　為了克服電子管的局限性，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，貝爾實(shí)驗(yàn)室加緊了對固體電子器件的基礎(chǔ)研究。肖克萊等人決定集中研究硅、鍺等半導(dǎo)體材料，探討用半導(dǎo)體材料制作放大器件的可能性。

　　1945年秋天，貝爾實(shí)驗(yàn)室成立了以肖克萊為首的半導(dǎo)體研究小組，成員有布拉頓、巴丁等人。布拉頓早在1929年就開始在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室工作，長期從事半導(dǎo)體的研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。他們經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)和觀察，逐步認(rèn)識到半導(dǎo)體中電流放大效應(yīng)產(chǎn)生的原因。布拉頓發(fā)現(xiàn)，在鍺片的底面接上電極，在另一面插上細(xì)針并通上電流，然后讓另一根細(xì)針盡量靠近它，并通上微弱的電流，這樣就會使原來的電流產(chǎn)生很大的變化。微弱電流少量的變化，會對另外的電流產(chǎn)生很大的影響，這就是“放大”作用。

　　布拉頓等人，還想出有效的辦法，來實(shí)現(xiàn)這種放大效應(yīng)。他們在發(fā)射極和基極之間輸入一個(gè)弱信號，在集電極和基極之間的輸出端，就放大為一個(gè)強(qiáng)信號了。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，上述晶體三極管的放大效應(yīng)得到廣泛的應(yīng)用。

　　巴丁和布拉頓最初制成的固體器件的放大倍數(shù)為50左右。不久之后，他們利用兩個(gè)靠得很近(相距0.05毫米)的觸須接點(diǎn)，來代替金箔接點(diǎn)，制造了“點(diǎn)接觸型晶體管”。1947年12月，這個(gè)世界上最早的實(shí)用半導(dǎo)體器件終于問世了，在首次試驗(yàn)時(shí)，它能把音頻信號放大100倍，它的外形比火柴棍短，但要粗一些。

　　在為這種器件命名時(shí)，布拉頓想到它的電阻變換特性，即它是靠一種從“低電阻輸入”到“高電阻輸出”的轉(zhuǎn)移電流來工作的，于是取名為trans-resistor(轉(zhuǎn)換電阻)，后來縮寫為transistor，中文譯名就是晶體管。

　　由于點(diǎn)接觸型晶體管制造工藝復(fù)雜，致使許多產(chǎn)品出現(xiàn)故障，它還存在噪聲大、在功率大時(shí)難于控制、適用范圍窄等缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn)，肖克萊提出了用一種“整流結(jié)”來代替金屬半導(dǎo)體接點(diǎn)的大膽設(shè)想。半導(dǎo)體研究小組又提出了這種半導(dǎo)體器件的工作原理。

　　1950年，第一只“PN結(jié)型晶體管”問世了，它的性能與肖克萊原來設(shè)想的完全一致(所謂PN結(jié)就是P型和N型的結(jié)合處。P型多空穴。N型多電子。)

　　1956年，肖克利、巴丁、布拉頓三人，因發(fā)明晶體管同時(shí)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。

　　2022年，清華大學(xué)集成電路學(xué)院教授任天令團(tuán)隊(duì)以單層石墨烯作為柵極，打造出一種“側(cè)壁”晶體管，創(chuàng)下了0.34nm柵極長度的紀(jì)錄。此項(xiàng)研究登上了最新一期Nature，題為“具有亞1納米柵極長度的垂直硫化鉬晶體管”（Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths）。