半导体发展史：晶体管与他的发明人

如果说细胞是生命的基石，那么晶体管就是数字革命的基石。如果没有晶体管，你每天使用的科技产物，手机、电脑、汽车等会大不相同。

在晶体管出现之前，工程师使用真空管和机电开关来完成电路。这些管子的使用也不太理想，它们在工作之前必须预热（有时在工作时会过热），它们不可靠且体积庞大，并且消耗了太多能量。从电视到电话系统，再到早期的计算机，都使用了这些组件，但在二战后的几年里，科学家们一直在寻找真空管的替代品。

1920年代后期，波兰裔美国物理学家Julius Edgar Lilienfeld（李利·费尔德，1882-1963）为一种由硫化铜制成的三电极装置申请了专利。虽然没有证据表明他确实创造了这个组件，但他的研究帮助开发了今天的场效应晶体管，即硅芯片的组成部分。

在Lilienfeld申请专利20年后，科学家们正试图将他的想法付诸实践。贝尔电话系统尤其需要比真空管更好的东西来保持其通信系统正常工作。该公司组建了一支由John Bardeen（约翰·巴丁，1908-1991）、Walter Brattain（沃尔特·布拉顿，1902-1987）和William Shockley（威廉·肖克，1910-1989）利组成的全明星科学家团队，并让他们从事真空管替代品的研究。

由John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley组成的贝尔实验室团队

1947年，威廉·肖克利在贝尔电话实验室担任晶体管研究主任。沃尔特·布拉顿是固态物理学的权威，也是固体原子结构性质的专家，而约翰·巴丁是一名电气工程师和物理学家。一年之内，布拉顿和巴丁两人使用锗元素创造了放大电路，也称为点接触晶体管。不久之后，肖克利通过开发结型晶体管改进了他们的想法。

第二年，贝尔实验室向全世界宣布它发明了晶体管。第一个晶体管的原始专利名称是这样描述的：半导体放大器，采用半导体材料的三电极电路元件。以现在时间来看，可能觉得稀松平常，但这项发明使贝尔团队获得了1956年的诺贝尔物理学奖，并使科学家和工程师能够更好地控制电流。毫不夸张地说，晶体管使人类在技术上取得了最大的飞跃。

到底什么是晶体管？

晶体管是控制电子运动的器件，从而控制电流。它们的工作原理类似于水龙头——它们不仅可以启动和停止电流的流动，还可以控制电流的大小。有了电，晶体管既可以切换也可以放大电子信号，让你可以精确地控制流过电路板的电流。

贝尔实验室制造的晶体管最初是由元素锗制成的，实验室的科学家知道纯锗是一种很好的绝缘体。但是添加杂质（一种称为掺杂的过程）会将锗变成弱导体或半导体。半导体是具有介于绝缘体和导体之间的特性的材料，允许不同程度的导电性。

事实上，晶体管发明的时机并非偶然。为了正常工作，晶体管需要纯半导体材料。碰巧的是，二战后，锗精炼的改进以及掺杂的进步，使锗适用于半导体应用。

根据用于掺杂的元素，得到的锗层要么是负型（N型），要么是正型（P型）。在N型层中，掺杂元素将电子添加到锗中，使电子更容易涌出。相反，在P型层中，特定的掺杂元素导致锗失去电子，因此来自相邻材料的电子流向它。

将N型和P型彼此相邻放置，将创建一个PN二极管。该二极管允许电流流动，但仅在一个方向上流动，这是电子电路构造中的一种有用特性。为了制造晶体管，工程师在PNP或NPN配置中将掺杂的锗分层以背靠背制造两层。接触点称为结，因此称为结晶体管。

随着电流施加到中心层（称为基底），电子将从N型侧移动到P型侧。最初的小涓流充当允许更大电流流动的开关。在电路中，这意味着晶体管既充当开关又充当放大器。

如今，商业电子产品使用硅基半导体代替锗，这比锗基晶体管更可靠、也更实惠。但一旦这项技术流行起来前，锗晶体管就已经广泛使用了20多年。

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