晶體管之路

可以夸張地說，沒有他們的發(fā)明就沒有現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的科學(xué)，所以我們非常有必要去了解這些東西（晶體管）的歷史。

晶體管于 1947 年在貝爾實(shí)驗(yàn)室（美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室是晶體管、激光器、太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管、數(shù)字交換機(jī)、通信衛(wèi)星、電子數(shù)字計(jì)算機(jī)、C語(yǔ)言、UNIX操作系統(tǒng)、蜂窩移動(dòng)通信設(shè)備、長(zhǎng)途電視傳送、仿真語(yǔ)言、有聲電影、立體聲錄音，以及通信網(wǎng)等許多重大發(fā)明的誕生地。

自1925年以來(lái)，貝爾實(shí)驗(yàn)室共獲得兩萬(wàn)五千多項(xiàng)專利，現(xiàn)在，平均每個(gè)工作日獲得三項(xiàng)多專利。貝爾實(shí)驗(yàn)室的使命是為客戶創(chuàng)造、生產(chǎn)和提供富有創(chuàng)新性的技術(shù)，這些技術(shù)使朗訊科技（Lucent Technologies）公司在通信系統(tǒng)、產(chǎn)品、元件和網(wǎng)絡(luò)軟件方面處于全球領(lǐng)先地位。

一共獲得8項(xiàng)（13人）諾貝爾獎(jiǎng)（其中7項(xiàng)物理學(xué)獎(jiǎng)，1項(xiàng)化學(xué)獎(jiǎng)）-來(lái)源于百度百科（貝爾實(shí)驗(yàn)室））由 John Bardeen、Walter Brattain 和 William Shockley 的團(tuán)隊(duì)發(fā)明，他們后來(lái)因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。第一個(gè)晶體管是鍺點(diǎn)接觸晶體管，由兩個(gè)與鍺片表面點(diǎn)接觸的薄電極組成，第三根導(dǎo)線連接到基極。

許多早期的實(shí)驗(yàn)包括斷開點(diǎn)接觸鍺二極管，并通過反復(fù)試驗(yàn)，找到可以連接第三根導(dǎo)線的位置，使設(shè)備的增益大于 1［http://www.jmargolin.com/history/ibm.htm］。1947 年，鍺和硅點(diǎn)接觸二極管已經(jīng)問世了好幾年了，其中有下面有趣的故事。

它始于 1906 年。

1906 年是影響未來(lái)幾年世界的年份之一，盡管當(dāng)時(shí)很少有人意識(shí)到這一點(diǎn)。1906 年 10 月，格林利夫·惠蒂爾·皮卡德（詩(shī)人約翰·格林利夫·惠蒂爾的外甥）獲得了一項(xiàng)關(guān)于接收無(wú)線電信號(hào)的方法的專利，其中包括一個(gè)硅點(diǎn)接觸二極管。{美國(guó)專利 836-531于 1906 年 8 月 30 日提交并于 1906 年 11 月 20 日頒發(fā)} 不久之后，Henry Dunwoody 獲得了一項(xiàng)關(guān)于使用由碳化硅（silicon carbide）制成的點(diǎn)接觸式探測(cè)器的系統(tǒng)的專利。{美國(guó)專利 837-616于 1906 年 3 月 23 日提交并于 1906 年 12 月 4 日頒發(fā)}。

這些探測(cè)器遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于當(dāng)時(shí)正在使用的探測(cè)器。1906 年之前，無(wú)線電系統(tǒng)（或稱為無(wú)線電報(bào)）有一個(gè)由電感器組成的發(fā)射器，該電感器充有電流，然后通過間隙（火花隙）放電。火花隙的一側(cè)接地，另一側(cè)連接到盡可能長(zhǎng)且盡可能高的天線。接收器同樣使用了一個(gè)天線（盡可能長(zhǎng)和高），該天線連接到一個(gè)稱為相干器的設(shè)備。

相干器由Edouard Branly于 1890 年開發(fā)，是一個(gè)松散填充金屬屑的玻璃管，兩端的觸點(diǎn)與電池和某種信號(hào)或記錄儀器串聯(lián)。通常，金屬屑太松散而無(wú)法傳導(dǎo)電流，但是當(dāng)電磁信號(hào)到達(dá)凝聚器時(shí)，金屬屑會(huì)聚結(jié)（凝聚）并且電流將流過電路以啟動(dòng)信號(hào)或記錄儀器。

不幸的是，當(dāng)信號(hào)停止時(shí)，金屬屑并沒有恢復(fù)到不導(dǎo)電狀態(tài)，因此必須輕敲管子，為下一個(gè)信號(hào)做好準(zhǔn)備。先進(jìn)的 coherers 使用記錄設(shè)備驅(qū)動(dòng)小錘子進(jìn)行敲擊。

雖然相干器不是很敏感，但是令人驚訝的是，這樣一個(gè)奇怪的設(shè)備竟然能工作，當(dāng)馬可尼在 1901 年跨越大西洋時(shí)，正是這個(gè)設(shè)備被用作探測(cè)器。（當(dāng)然，他的天線在風(fēng)箏末端有 400 英尺長(zhǎng)。）你可以在 Marconi 的美國(guó)專利{ 1896 年 12 月 7 日提交并于 1897 年 7 月 13 日頒發(fā)的美國(guó)專利 586-193 中看到這一點(diǎn)。這是他著名的英國(guó)專利號(hào) 7，777 的美國(guó)版本。}查看這一天才發(fā)明。

那么，硅點(diǎn)接觸二極管是在 1906 年就被發(fā)明了，為什么要添加另一條導(dǎo)線來(lái)制作晶體管需要這么長(zhǎng)時(shí)間？有幾個(gè)原因。

追根溯源-1883 年

第一個(gè)原因是 1906 年發(fā)明的其他東西是 1883 年發(fā)生的事情的結(jié)果。

1883 年，托馬斯·愛迪生注意到，如果將電線插入燈泡并連接到正電壓，電流就會(huì)流動(dòng)（愛迪生效應(yīng)）。因?yàn)樗τ诮ㄔO(shè)世界上第一個(gè)商業(yè)發(fā)電站盡管愛迪生效應(yīng)對(duì)他來(lái)說很不尋常，但是愛迪生并沒有跟進(jìn)。具有諷刺意味的是，愛迪生發(fā)現(xiàn)了將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的方法，因?yàn)樗浅７磳?duì)交流電。他的所有發(fā)電系統(tǒng)都是直流電，其中一些系統(tǒng)直到 1940 年代仍在紐約市的部分地區(qū)使用。

1904 年，約翰·安布羅斯·弗萊明爵士 （Sir John Ambrose Fleming） 獲得了雙電極真空管的專利（即真空管二極管）。他曾為愛迪生工作，知道愛迪生效應(yīng){弗萊明的美國(guó)專利 803-684于 1905 年 4 月 19 日提交并于 1905 年 11 月 7 日頒發(fā)。}。

1906年二極管檢測(cè)器

1906 年，Lee de Forest 發(fā)明了三極管真空管。{美國(guó)專利 879-532于1907 年 1 月 29 日提交并于 1908 年 2 月 18 日頒發(fā)} 三極管真空管是第一個(gè)可以放大模擬信號(hào)功率的設(shè)備。（1943年的莫爾斯電碼振蕩器和再生式接收機(jī)電可被視為數(shù)字信號(hào)的放大器。）

專利內(nèi)容：

“我的發(fā)明的目的是通過下文更全面描述的結(jié)構(gòu)特征和電路布置來(lái)提高在其結(jié)構(gòu)中包括氣態(tài)介質(zhì)的振蕩檢測(cè)器的靈敏度。”

Lee de Forest 認(rèn)為他的三極管只是一種更靈敏的二極管檢測(cè)器。1911 年，埃德溫·阿姆斯特朗 （Edwin Armstrong） 第一個(gè)認(rèn)識(shí)到三極管可以用作放大器。

三極管真空管并沒有立即流行起來(lái)，因?yàn)樗鼈儍r(jià)格昂貴，壽命短，而且放大率也不高。1914 年，AT&T 購(gòu)買了用于無(wú)線電接收器的三極管的使用權(quán)，并開始對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。第一次世界大戰(zhàn)的到來(lái)，進(jìn)一步刺激了發(fā)展。

因此，當(dāng)點(diǎn)接觸二極管在 1906 年發(fā)明時(shí)，放大是一個(gè)新概念，人們對(duì)研究已經(jīng)更好的東西更感興趣-真空三極管。

技術(shù)和設(shè)備

另一個(gè)原因是半導(dǎo)體需要高純度以及受控量的雜質(zhì)來(lái)創(chuàng)建 p 型和 n 型材料的技術(shù)和設(shè)備不存在；此外，人們不知道他們需要這個(gè)。他們不知道的原因是沒有人知道點(diǎn)接觸二極管是如何工作的。

直到 1930 年代后期，德國(guó)的 Walter Schottky、英國(guó)的 Nevill F. Mott 和蘇聯(lián)的 Alexander Davydov 才提出金屬-半導(dǎo)體結(jié)的理論：半導(dǎo)體材料在結(jié)處耗盡載流子，這對(duì)通過結(jié)的平衡電子流形成有效屏障。施加降低勢(shì)壘的電場(chǎng)（半導(dǎo)體側(cè)的更高電位）允許電子流動(dòng)，而該電場(chǎng)的反轉(zhuǎn)進(jìn)一步耗盡半導(dǎo)體的載流子，從而提高電子流動(dòng)的勢(shì)壘。我們有一個(gè)二極管整流器。

盡管人們不知道點(diǎn)接觸二極管的工作原理，但這并沒有阻止他們制造和使用它們。直到 1920 年代，無(wú)線電都是摩爾斯電碼，大多數(shù)無(wú)線電由業(yè)余無(wú)線電愛好者（業(yè)余愛好者）、從事發(fā)送信息業(yè)務(wù)的商業(yè)電臺(tái)或海軍操作電臺(tái)。

真空三極管對(duì)于大多數(shù)DIYer來(lái)說太貴了，所以他們的大部分收音機(jī)都使用晶體探測(cè)器。有些人買不起市售的晶體探測(cè)器，于是用一塊方鉛礦晶體和貓須自制了探測(cè)器。方鉛礦是硫化鉛的名稱，硫化鉛是鉛的主要礦石。貓的胡須其實(shí)是一根很細(xì)的線。該裝置是為一個(gè)終端與方鉛礦建立良好的連接，并用貓須四處探查，為另一個(gè)終端尋找“最佳位置”。

第一個(gè)真空管不能產(chǎn)生很大的功率，所以只能傳輸文字信息。當(dāng)真空管發(fā)展到可以產(chǎn)生大量功率的程度，語(yǔ)音和音樂的傳輸就成為可能，廣播就誕生了。真空管制造商將其視為為其產(chǎn)品創(chuàng)造需求的一種方式，因此，許多早期的廣播電臺(tái)都是由真空管制造商創(chuàng)辦的。像美國(guó)廣播公司這樣的公司。

盡管真空管占據(jù)了中心位置，但對(duì)半導(dǎo)體的一些研究仍在繼續(xù)。

1926 年，鍺被添加到半導(dǎo)體列表中。這是一個(gè)由硅、硒和碲組成的半導(dǎo)體。

氧化銅整流器（美國(guó)專利 1，640，335于 1927 年 8 月 23 日授予 Grondahl。）是由 LO Grondahl 和 PH Geiger （蓋革）（蓋革（Geiger，Hans Wilhelm）德國(guó)物理學(xué)家，著有蓋革-米勒計(jì)數(shù)器）于 1927 年發(fā)明的。氧化銅整流器具有良好的正向電流傳導(dǎo)，但額定反向電壓較差，約為 6 伏。然而，因?yàn)樗鼈兛梢越⒃诎迳隙皇屈c(diǎn)接觸，更大的表面積意味著它們可以處理大電流（大約 7 安培），并在電池充電器中使用了一段時(shí)間。出于某種原因，蓋革的名字不在專利上。（感謝 Reader Dave 找到該專利并注意到 Geiger 的名字不在上面。）。

為什么 Geiger 的名字不在專利上？因?yàn)?Geiger 的參考文獻(xiàn)是：LO Grondahl，PH Geiger，“一種新型電子整流器”，Proc。AIEE 冬季大會(huì)，第 357 頁(yè)，紐約 1927 年。［美國(guó)電氣工程師協(xié)會(huì) （AIEE） 于 1963 年與無(wú)線電工程師協(xié)會(huì) （IRE） 合并，組成了電氣和電子工程師協(xié)會(huì) （IEEE）。］ 主要原因是該專利已轉(zhuǎn)讓給 Union Switch & Signal Company。George Westinghouse 公司。

氧化銅整流器的最大和最長(zhǎng)用途是在萬(wàn)用表中，因此可以使用直流電表讀取交流電壓和電流。辛普森電器有限公司，仍然在其非電子萬(wàn)用表中使用氧化銅整流器。

唯一一家仍在生產(chǎn)氧化銅整流器的公司是位于康涅狄格州東黑文的Edal Industries。整流器的最佳銅材來(lái)自智利。試過很多其他地方的銅材，但沒有生產(chǎn)出很好的整流器。這表明銅中含有一種使器件工作的未知雜質(zhì)。

硒整流器是由 CE Fitts 于 1933 年發(fā)明的。盡管硒具有比氧化銅更高的正向電流電阻，但它具有更高的反向電壓額定值，通常為 20 到 30 伏，當(dāng)時(shí)的處理方式是將其中幾個(gè)堆疊在一起以獲得更高的電壓，板結(jié)構(gòu)很容易用于堆疊。

硒整流器在 1950 年代的電視機(jī)中達(dá)到了頂峰。Edal Industries（氧化銅整流器的最后一個(gè)現(xiàn)有來(lái)源）也仍然銷售硒整流器，主要用于工業(yè)靜電空氣凈化器的高壓電源。當(dāng)硒整流器超過額定值并燃燒時(shí)，它們會(huì)散發(fā)出相當(dāng)難聞的氣味。如今，由于硒的毒性，它們?cè)谙M(fèi)品中的使用受到限制。

1930 年 1 月 28 日，美國(guó)專利 1，745，175被授予 JE Lilienfeld，用于“控制電流的方法和裝置”。該專利展示了一種絕緣材料，例如玻璃，上面涂有具有“單向?qū)щ娦浴钡?a target="_blank">金屬膜。那時(shí)還不存在實(shí)際制造晶體管的材料，沒有實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)備有效，但這是一種絕妙的實(shí)驗(yàn)預(yù)案。

1939 年，威廉·肖克利 （William Shockley） 和沃爾特·布拉頓 （Walter Brattain） 嘗試通過將一個(gè)微小的控制網(wǎng)格插入氧化銅層中來(lái)構(gòu)建半導(dǎo)體放大器，但未成功。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束了他們的實(shí)驗(yàn)。

但是第二次世界大戰(zhàn)在技術(shù)上產(chǎn)生了巨大的進(jìn)步。

其中之一是雷達(dá)的發(fā)展。第一個(gè)實(shí)用的雷達(dá)在 300 MHz 左右的相對(duì)較低的頻率上運(yùn)行。更高的頻率更好，因?yàn)樗鼈兲峁└叩哪繕?biāo)分辨率。隨著 1940 年磁控管的發(fā)明，微波發(fā)射器 （3，000 MHz） 成為現(xiàn)實(shí)。

接收則具有另一種難度，由于電極之間存在各種寄生電容，因此無(wú)法在這些頻率下使用真空管。猜猜是什么來(lái)拯救？我們的老朋友-點(diǎn)接觸二極管。因?yàn)樗屈c(diǎn)接觸設(shè)備，所以“結(jié)”電容極低。它們的使用方式是信號(hào)將進(jìn)入并直接進(jìn)入二極管，二極管作為混頻器運(yùn)行，將信號(hào)外差降低到電子管可以工作的較低頻率。

雖然沒有什么收獲，但也沒有辦法。事實(shí)上，直到 1980 年代初，當(dāng)砷化鎵晶體管得到完善時(shí)，除了必須用液氮冷卻的昂貴參數(shù)放大器之外，才有了直二極管混頻器的替代品。

在第二次世界大戰(zhàn)開始時(shí)，可用的點(diǎn)接觸二極管不是很可靠，也不是很好。這就是為什么美國(guó)政府設(shè)立了一個(gè)緊急計(jì)劃來(lái)改進(jìn)它們。到戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束時(shí)，在生產(chǎn)非常高純度的硅和鍺方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，這使得為雷達(dá)接收器生產(chǎn)非常好的、可靠的、低噪聲的點(diǎn)接觸二極管成功。

Russel Ohl 提出了生產(chǎn)高純度硅的方法{美國(guó)專利 2，402，661于 1941 年 3 月 1 日提交并于 1046 年 6 月 25 日發(fā)布；美國(guó)專利 2，402，839于 1941 年 3 月 27 日提交并于 1946 年 6 月 25 日頒發(fā)}請(qǐng)注意，這兩項(xiàng)專利均在美國(guó)進(jìn)入第二次世界大戰(zhàn)之前提交并在二戰(zhàn)結(jié)束后頒發(fā)。

另一種純化硅的方法是由 Gordon Teal 和 Keith Storks 開發(fā)的。{美國(guó)專利 2，441，603 于 1943 年 7 月 28 日提交并于 1948 年 5 月 18 日頒發(fā)。}

正是因?yàn)橄?Ohl、Teal 和 Storks 這樣的人，在 1947 年才有了高純度的鍺和硅。

點(diǎn)接觸晶體管由約翰·巴丁 （John Bardeen） 和沃爾特·布拉頓 （Walter Brattain） 于 1947 年發(fā)明。威廉·肖克利（團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人）當(dāng)時(shí)不在場(chǎng)，也沒有因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)明而獲得榮譽(yù)，這讓他非常生氣。但是。點(diǎn)接觸晶體管難以制造并且不是很可靠。這也不是肖克利想要的晶體管，所以他繼續(xù)按照自己的想法工作，這導(dǎo)致結(jié)型晶體管更容易制造并且工作得更好。這些事件的歷史可以在改變世界的發(fā)明中找到（改變世界的發(fā)明是雷達(dá)。）

肖克利開發(fā)的晶體管是結(jié)型晶體管，它是通過將各種化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散到鍺中而制成的。當(dāng)這個(gè)過程完成時(shí)，最終得到了一些相當(dāng)不錯(cuò)的晶體管。

這一時(shí)期（我能找到的）最早的專利是美國(guó)專利 2，524，035 ，該專利于 1948 年 6 月 17 日提交并于 1950 年 10 月 3 日頒發(fā)。請(qǐng)注意，該專利僅將 Bardeen 和 Brattain 列為發(fā)明人，而忽略了 Shockley。另請(qǐng)注意，該申請(qǐng)是 1948 年 2 月 26 日提交（并被放棄）的先前申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)。在專利中，部分延續(xù)意味著您在原始專利申請(qǐng)未決期間以某種實(shí)質(zhì)性方式改進(jìn)了基本發(fā)明，并且希望對(duì)特定改進(jìn)提出要求。這并不意味著必須放棄原來(lái)的申請(qǐng)。

肖克利還是設(shè)法得到了一些自己的專利，如 美國(guó)專利2569347 提交于1948年6月26日和9月25日頒布，1951年，和美國(guó)專利2502488提交于1948年9月24日和1950年4月4日發(fā)行。 美國(guó)專利2623105提交于1951年9月21日和12月23日頒布，1952年似乎涉及一個(gè)結(jié)型晶體管。

雖然，晶體管有很長(zhǎng)的書面記錄，第一個(gè)晶體管是由鍺制成的，但是仍然可以購(gòu)買到鍺點(diǎn)接觸二極管。

新增故事線

在Semiconductor Devices： Pioneering Papers 中重印的項(xiàng)目之一是一封寫給 1907 年名為《電氣世界》雜志編輯的信。其作者HJ Round 報(bào)道：

“在碳化硅晶體上的兩點(diǎn)之間施加 10 伏的電勢(shì)時(shí)，晶體發(fā)出淡黃色的光。只能找到一兩個(gè)樣本在如此低的電壓下發(fā)出明亮的光，但在 110 伏的情況下，晶體會(huì)發(fā)出黃色的光。在一些晶體中，只有邊緣發(fā)出光，而其他晶體發(fā)出光，不是黃色的而是淺綠色、橙色或藍(lán)色。在所有測(cè)試的情況下，發(fā)光似乎來(lái)自負(fù)極，出現(xiàn)明亮的藍(lán)綠色火花在正極。在單晶中，如果在中心附近與負(fù)極接觸，而正極在任何其他地方接觸，則只有一部分晶體會(huì)發(fā)光，而同一部分無(wú)論在哪里正極已放置。”

碳化硅與 Dunwoody 在 1906 年用來(lái)制造第一個(gè)硅點(diǎn)接觸二極管的材料相同。

HJ Round船長(zhǎng)是一位獲得117項(xiàng)專利的電子先驅(qū)，是馬可尼的私人助理。

朗的孫子在他的網(wǎng)站（http://www.captainround.pwp.blueyonder.co.uk/）上記錄了他的生平。

看來(lái) Round 發(fā)現(xiàn)了 LED。他甚至有一個(gè)藍(lán)色 LED，比 Cree Research 使用碳化硅制造他們的 LED 早 80 年。當(dāng)然，他們的藍(lán)色 LED 更容易制造且更可靠。

朗德的信全文在這里（http://www.jmargolin.com/history/leds.pdf）。

編輯：jq