半導體發展史：晶體管與他的發明人

如果說細胞是生命的基石，那么晶體管就是數字革命的基石。如果沒有晶體管，你每天使用的科技產物，手機、電腦、汽車等會大不相同。

在晶體管出現之前，工程師使用真空管和機電開關來完成電路。這些管子的使用也不太理想，它們在工作之前必須預熱（有時在工作時會過熱），它們不可靠且體積龐大，并且消耗了太多能量。從電視到電話系統，再到早期的計算機，都使用了這些組件，但在二戰后的幾年里，科學家們一直在尋找真空管的替代品。

1920年代后期，波蘭裔美國物理學家Julius Edgar Lilienfeld（李利·費爾德，1882-1963）為一種由硫化銅制成的三電極裝置申請了專利。雖然沒有證據表明他確實創造了這個組件，但他的研究幫助開發了今天的場效應晶體管，即硅芯片的組成部分。

在Lilienfeld申請專利20年后，科學家們正試圖將他的想法付諸實踐。貝爾電話系統尤其需要比真空管更好的東西來保持其通信系統正常工作。該公司組建了一支由John Bardeen（約翰·巴丁，1908-1991）、Walter Brattain（沃爾特·布拉頓，1902-1987）和William Shockley（威廉·肖克，1910-1989）利組成的全明星科學家團隊，并讓他們從事真空管替代品的研究。

由John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley組成的貝爾實驗室團隊

1947年，威廉·肖克利在貝爾電話實驗室擔任晶體管研究主任。沃爾特·布拉頓是固態物理學的權威，也是固體原子結構性質的專家，而約翰·巴丁是一名電氣工程師和物理學家。一年之內，布拉頓和巴丁兩人使用鍺元素創造了放大電路，也稱為點接觸晶體管。不久之后，肖克利通過開發結型晶體管改進了他們的想法。

第二年，貝爾實驗室向全世界宣布它發明了晶體管。第一個晶體管的原始專利名稱是這樣描述的：半導體放大器，采用半導體材料的三電極電路元件。以現在時間來看，可能覺得稀松平常，但這項發明使貝爾團隊獲得了1956年的諾貝爾物理學獎，并使科學家和工程師能夠更好地控制電流。毫不夸張地說，晶體管使人類在技術上取得了最大的飛躍。

到底什么是晶體管？

晶體管是控制電子運動的器件，從而控制電流。它們的工作原理類似于水龍頭——它們不僅可以啟動和停止電流的流動，還可以控制電流的大小。有了電，晶體管既可以切換也可以放大電子信號，讓你可以精確地控制流過電路板的電流。

貝爾實驗室制造的晶體管最初是由元素鍺制成的，實驗室的科學家知道純鍺是一種很好的絕緣體。但是添加雜質（一種稱為摻雜的過程）會將鍺變成弱導體或半導體。半導體是具有介于絕緣體和導體之間的特性的材料，允許不同程度的導電性。

事實上，晶體管發明的時機并非偶然。為了正常工作，晶體管需要純半導體材料。碰巧的是，二戰后，鍺精煉的改進以及摻雜的進步，使鍺適用于半導體應用。

根據用于摻雜的元素，得到的鍺層要么是負型（N型），要么是正型（P型）。在N型層中，摻雜元素將電子添加到鍺中，使電子更容易涌出。相反，在P型層中，特定的摻雜元素導致鍺失去電子，因此來自相鄰材料的電子流向它。

將N型和P型彼此相鄰放置，將創建一個PN二極管。該二極管允許電流流動，但僅在一個方向上流動，這是電子電路構造中的一種有用特性。為了制造晶體管，工程師在PNP或NPN配置中將摻雜的鍺分層以背靠背制造兩層。接觸點稱為結，因此稱為結晶體管。

隨著電流施加到中心層（稱為基底），電子將從N型側移動到P型側。最初的小涓流充當允許更大電流流動的開關。在電路中，這意味著晶體管既充當開關又充當放大器。

如今，商業電子產品使用硅基半導體代替鍺，這比鍺基晶體管更可靠、也更實惠。但一旦這項技術流行起來前，鍺晶體管就已經廣泛使用了20多年。

以上就是英銳恩單片機開發工程師分享的“半導體發展史：晶體管與他的發明人”。英銳恩專注單片機應用方案設計與開發，提供8位單片機、16位單片機、32位單片機。