第一个晶体管是如何工作的

真空管三极管还不到20年，物理学家们就开始尝试创造它的继承者，而且风险巨大。三极管不仅使长途电话和电影声音成为可能，它还推动了整个商业无线电事业的发展，这是一个有价值的行业超过10亿美元在1929年。但是真空管耗电大，而且很脆弱。如果能找到一种更坚固、更可靠、更高效的三极管替代品，回报将是巨大的。

他们的目标是制造一种由半导体制成的三端设备，该设备将接收低电流信号进入一个输入端，并使用它来控制在两个其他终端之间流动的更大电流，从而放大原始信号。这种装置的基本原理是所谓的场效应——电场调节半导体材料导电性的能力。当时，由于二极管和半导体的相关研究，场效应已经广为人知。

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但事实证明，20多年来，建造这样一个设备对一些世界顶级物理学家来说是一个不可逾越的挑战。类似晶体管的设备已经申请了专利从1925年开始但是第一个有记录的晶体管工作实例是1947年秋天在美国电话电报公司贝尔电话实验室制造的传说中的点接触器件。

虽然点接触晶体管是20世纪最重要的发明，但令人惊讶的是，关于它究竟是如何工作的，却没有清晰、完整和权威的解释。现代更坚固的结晶体管和平面晶体管依赖于半导体的物理结构，而不是第一个晶体管所利用的表面效应。学术界对这一差距的关注相对较少。

在点接触的剖面图照片中，可以看到两个薄导体;它们连接到与一小块锗板接触的点上。其中一个点是发射极，另一个点是集电极。第三个触点，即底座，连接在锗的背面。AT&T档案和历史中心

它是一个由锗、塑料和金箔组成的笨拙的组合，上面都有一个弯曲的弹簧。它的发明者是一位轻声细语的中西部理论家约翰·巴丁，他是一位能言善辩的“有点不稳定实验主义者沃尔特·布拉顿。两人当时都在威廉·肖克利(William Shockley)手下工作，这段关系后来被证明是有争议的。1947年11月，巴丁和布拉顿被一个简单的问题所困扰。在他们使用的锗半导体中，表面的一层电子似乎阻挡了外加电场，阻止它穿透半导体并调节电流的流动。没有调制，没有信号放大。

1947年底的某个时候，他们想出了一个解决方案。它的特点是两片几乎没有分开的金箔被弯曲的弹簧轻轻推入一小块锗板的表面。

教科书和流行的描述都倾向于忽略点接触晶体管的工作机制，而倾向于解释它的近代后代是如何工作的。事实上，当前版本的本科电子工程师圣经，电子的艺术霍洛维茨和希尔的论文中，根本没有提到点接触晶体管，通过错误地声明晶体管的存在来掩盖它的存在结晶体管是“1947年获得诺贝尔奖的发明”。但1947年发明的晶体管是点接触晶体管;结型晶体管是肖克利在19年发明的48．

因此，在某种程度上，对点接触晶体管最全面的解释似乎是合适的约翰·巴丁的演讲1956年获得诺贝尔奖。即便如此，读了这本书，你也会觉得有些细节可能连发明者自己都不知道。明尼苏达大学查尔斯·巴贝奇科学技术史研究所前主任托马斯·米萨说:“很多人对点式接触晶体管感到困惑。”

教科书和流行的描述都倾向于忽略点接触晶体管的工作机制，而倾向于解释它的近代后代是如何工作的。

巴丁讲座一年后，加州理工学院电气工程教授r·d·米德尔布鲁克(R. D. Middlebrook)在电力电子学方面做了开创性的工作，写了“由于该装置的三维性质，理论分析是困难的，实际上，内部操作尚未完全了解。”

尽管如此，凭借75年的半导体理论，我们开始了。点接触晶体管是围绕着一块拇指大小的n一类锗，它有过量的带负电的电子。这块石板经过处理形成了一层非常薄的表层p-type，这意味着它有多余的正电荷。这些正电荷被称为洞。它们实际上是电子的局部缺陷，电子在半导体原子之间移动，就像真正的粒子一样。一个接地电极被连接到这个板的底部，创建基地晶体管的。两块金箔接触表面形成另外两个电极，称为电极发射器和收集器．

这就是设置。在操作中，一个很小的正电压——仅仅是一伏的一小部分——被施加到发射器上，而一个更大的负电压——4到40伏——被施加到收集器上，所有这些都与接地底座有关。接口之间的p-type层和n型板创造了一个结，就像在二极管中发现的一样:从本质上讲，结是一个屏障，允许电流只在一个方向上轻松地流向较低的电压。所以电流可以从正发射极流过势垒，而没有电流可以流过势垒进入集电极。

1951年，西方电气公司在宾夕法尼亚州阿伦敦的工厂生产的2型点接触晶体管是第一个大批量生产的晶体管。到1960年，也就是拍摄这张照片的时候，这家工厂已经开始生产结型晶体管。AT&T档案和历史中心

现在，让我们看看原子之间发生了什么。首先，我们将断开收集器，看看在没有它的情况下发射器周围会发生什么。发射极将正电荷——洞——注入p-type层，他们开始向基地移动。但它们并没有径直走向它。薄层迫使它们横向展开一段距离，然后穿过屏障进入n型板。想象一下，慢慢地把少量的细粉倒在水面上。粉末最终会下沉，但首先它会呈一个大致的圆形扩散开来。

现在我们连接收集器。即使它不能自己吸引电流穿过屏障p-n结，它的大负电压和尖的形状确实导致一个集中的电场穿透锗。因为集电极离发射极很近，而且也带负电，它开始吸收许多从发射极扩散出去的孔。这种电荷流的结果在附近的孔集中p-n收集器下面的屏障。这种浓度有效地降低了屏障的“高度”，否则会阻止电流在集电极和底座之间流动。随着势垒降低，电流开始从基极流入集电极——比发射极注入晶体管的电流大得多。

电流的大小取决于势垒的高度。发射极电压的小幅度减小或增大分别使势垒上下波动。因此极微小的变化在发射极电流控制极大的变化在集电极，所以voilà!放大。(电子工程师会注意到基极和发射极的功能与后来的晶体管相反，后者是基极而不是发射极控制晶体管的响应。)

尽管它笨拙而脆弱，它是半导体放大器和它的后代将改变世界。它的发明者也知道这一点。决定命运的一天是1947年12月16日，布拉顿想出了一个主意:用一根金箔带绑在塑料三角形上，在发射器和集电极的接触点之间有一个小缝。这种结构提供了可靠的功率增益，两人那时就知道他们成功了。那天晚上，在他拼车回家时，布拉顿告诉他的同伴，他刚刚完成了“这是我这辈子做过的最重要的实验并让他们发誓保守秘密。沉默寡言的巴丁也忍不住分享了这个消息。据报道，当他的妻子简(Jane)当晚准备晚餐时，他简单地说:我们今天发现了一些东西当孩子们在厨房里蹦蹦跳跳时，她回答说:太好了，亲爱的。”

这终于是个晶体管了，但很不稳固。发明者后来想出了在晶体管制造过程中通过大电流来形成集电极的想法。这项技术使他们能够获得更大的电流流，而不是被严格限制在表层内。不过，电子成形有点杂乱无章。米萨指出:“他们只会扔掉那些不起作用的。”

尽管如此,点接触型晶体管在美国电话电报公司的授权下，在许多公司生产，并于1951年在美国电话电报公司自己的制造部门西部电气公司生产。它们被用于助听器，振荡器，电话路由设备，在RCA制造的实验性电视接收机，在传统中，the第一台机载数字计算机，以及其他系统。事实上，点接触晶体管仍在生产中直到1966年这在一定程度上是因为它们比其他产品速度更快。

决定命运的一天是1947年12月16日，布拉顿想出了一个主意，用一根金箔带绑在塑料三角形上……

贝尔实验室并不是唯一一个成功研制晶体管的团队。在巴黎东北郊区的欧奈苏布瓦，两位德国物理学家赫伯特·Mataré和海因里希·威尔克(Heinrich Welker)也在试图建造一个三端半导体放大器。为西屋电气的法国子公司工作，他们在追踪非常Mataré所做的有趣的观察同时在1944年为德国军队开发锗和硅整流器。1948年6月，两人成功地制造出了可靠的点接触晶体管。

大约一周后，贝尔实验室终于在1948年6月30日的新闻发布会上公布了自己研制出晶体管的消息，这让他们大为震惊。虽然它们是完全独立开发的，而且是秘密开发的，但这两种设备或多或少是相同的。

在这里，晶体管的故事发生了一个奇怪的转折，它的辉煌令人惊叹，但它的细节也令人不安。巴丁和布拉顿的老板，威廉·肖克利非常愤怒在最初的晶体管专利申请中，他的名字没有和巴丁和布拉顿的名字一起出现。他确信巴丁和布拉顿只是把他关于利用半导体场的理论转到他们的工作装置上，并没有给予他足够的信任。然而，在1945年，肖克利根据这些理论制造了一个晶体管，但它并没有成功。

1953年，RCA的工程师Gerald Herzog带领一个团队设计并制造了第一台“全晶体管”电视(当然，是的，它有一个阴极射线管)。该团队使用了RCA在贝尔实验室的许可下生产的点接触晶体管。晶体管博物馆杰瑞赫尔佐格口述历史

12月底，在点接触晶体管取得初步成功后不到两周，肖克利就前往芝加哥参加美国物理学会的年会。在新年前夜，他躲在酒店房间里，在嫉妒和愤怒的强烈混合刺激下，他开始设计自己的晶体管。三天之内，他就写完了大约30页的笔记．月底，他完成了人们所知的双极结晶体管(BJT)的基本设计，BJT最终取代了点接触晶体管，并在20世纪70年代末之前一直占据着晶体管的主导地位。

从贝尔实验室的工作中得到启发，RCA于1948年开始开发自己的点接触晶体管。其中包括图中所示的7台，其中4台用于1953年制造的RCA实验性22晶体管电视机。这四辆分别是TA153(上一行，左二)、TA165(上一行，右最远处)、TA156(下一行，中)和TA172(下右侧)。晶体管博物馆乔纳森霍普收藏

BJT是基于肖克利的信念，即电荷可以而且应该流过大块半导体，而不是流过表面的一层薄层。的设备由三个半导体层组成，就像三明治一样:发射极，中间的基极和集电极。它们是交替掺杂的，所以有两个版本:n类型/p类型/n-type，称为“NPN”，以及p类型/n类型/p-type，称为“PNP”。

BJT所依赖的原理本质上与点接触法相同，但它使用了两种方法p-n连接而不是一个。当用作放大器时，一个正电压施加到底座上，允许小电流在它和发射器之间流动，这反过来又控制了收集器和发射器之间的大电流。

考虑一个NPN设备。底是p-type，所以它有多余的孔。但它非常薄，掺杂量也很轻，所以孔洞相对较少。一小部分流入的电子与这些空穴结合并从循环中被移除，而绝大多数(超过97%)的电子继续流经薄基底并进入集电极，形成强烈的电流流。

但是那些极少数与空穴结合的电子必须从基底中排出去才能保持p类型的性质和强烈的电流通过它。去除“被困”的电子是通过通过基底的相对较小的电流来完成的。这种涓滴电流使更强的电流流入收集器，然后从收集器流出，进入收集器电路。因此，实际上，小的基极电流控制着大的集电极电路。

电场起了作用，但它们不能调节电流，而早期理论家认为这种装置必须发生电场才能发挥作用。要点是:这两个p-nBJT中的结被耗尽区跨越，在耗尽区电子和空穴结合，相对较少的移动载流子。施加在结点上的电压会在每个结点上形成电场，从而推动电荷穿过这些区域。这些场使得电子从发射极一路流过，穿过基底，进入集电极。

在BJT中，“施加的电场会影响载流子密度，但由于这种影响是指数级的，只需要一点点就能产生大量的扩散电流，”哥伦比亚大学电气工程系主任扬尼斯·约翰·基米西斯(Ioannis John Kymissis)解释说。

BJT比点接触晶体管更坚固可靠，这些特点为它的伟大奠定了基础。但过了一段时间，这一点才变得明显。BJT是用于制造集成电路的技术，从20世纪60年代早期一直到20世纪70年代末，当时金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)接管了集成电路。事实上，正是这些场效应晶体管，首先是结场效应晶体管，然后是mosfet，最终实现了几十年来的梦想，即基于场效应的三端半导体器件，这也是肖克利最初的雄心壮志。

这样美好的未来在20世纪50年代初是难以想象的，当时AT&T和其他公司正在努力寻找实用而有效的方法来制造新型bjt。肖克利自己将硅投入了硅谷。他搬到帕洛阿尔托，1956年创立了一家公司，引领了电子半导体从锗转向硅的转变。他公司的员工后来创建了仙童半导体公司，然后是英特尔公司。

后来，他因为糟糕的管理而失去了自己的公司，后来他成为了斯坦福大学的教授，开始传播关于种族、基因和智力的毫无根据和精神错乱的理论。1951年，巴丁离开贝尔实验室，成为伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的教授，在那里，他凭借超导理论获得了第二次诺贝尔物理学奖。(他是唯一一个两次获得诺贝尔物理学奖的人。)布拉顿一直在贝尔实验室工作，直到1967年，他在华盛顿州瓦拉瓦拉的惠特曼学院任教。

1989年，肖克利去世时，身边几乎没有朋友。但他发明的晶体管改变了世界，尽管直到1953年人们还不清楚BJT是否代表未来。在那年的一次采访中，唐纳德·g·芬克他在十年后帮助建立了IEEE，沉思，是一个满脸粉刺，现在很笨拙，但未来充满活力的青少年吗?还是已经成熟了，充满了倦怠，充满了失望?”

是前者，我们所有人的生活都因此变得更加美好。

本文发表在2022年12月的印刷版上，题为“第一个晶体管及其工作原理”。