半导体晶体管

半导体晶体管的设计

关于半导体晶体管的4个事实

• 半导体晶体管是用于放大或开关电信号的设备。
• 晶体管是现代电子学中的基本组件，包含三个端口可连接到电路。
• 在1956年，诺贝尔物理学奖颁给了发明了晶体管的人，该发明被认为是20世纪最重要的发明之一。
• 晶体管是由贝尔实验室的约翰·巴尔丁、沃尔特·布拉坦和威廉·肖克利共同发明的。

巴尔丁、肖克利和布拉坦 – 半导体晶体管的发明者

半导体晶体管的历史

alessandro volta在1782年首次使用了“半导体”一词。 1833年，迈克尔·法拉第首次注意到了半导体效应。

迈克尔·法拉第是第一个注意到半导体效应的人。

根据法拉第的观察，硫化银的电阻随温度降低。卡尔·布劳恩在1874年发现并描述了第一个半导体二极管效应。布劳恩发现电流只在金属点与方铅矿晶体接触处自由流动。

快速事实

创造时间

1947年12月16日

创造者

威廉·肖克利，约翰·巴尔丁，沃尔特·布拉坦

最初用途

放大或开关电子信号

成本

1960年为1美元 – 相当于今天的8美元

半导体领域的下一个重要贡献者是法国实验物理学家埃德蒙·贝克勒尔。 1839年，他报告了铂电极上涂有氯化银的光电压的观察结果。在他的实验中，将涂有agcl的铂电极浸入含硝酸的水溶液中。照射电极会产生改变电池产生的电动势的光电压，在事实上，它在agcl包覆电极上产生了还原（阴极）光电流；这是第一个报道的光伏设备。在ag / agcl金属半导体接触处产生了光电压。

威洛比·史密斯发现电阻实际上取决于入射光的强度。

1873年，英国电气工程师威洛比·史密斯（1828-1891）（见附近的肖像）发现了硒的光电导性。他最初是在做潜水电缆。他开始使用硒进行实验，因为它具有高电阻，适用于潜水电报。各种实验者测量了硒棒的电阻，但是它们在不同条件下测量的电阻完全不一致。然后史密斯发现，电阻实际上取决于入射光的强度。当将硒棒放入盒子中并关闭滑动盖时，电阻最高。当将各种颜色的玻璃放在光线路径上时，电阻根据玻璃透过的光量而变化。但是当盖子被移除时，导电性增加。他还发现这种效应不是由温度变化引起的。

费迪南德·布劳恩发现了金属与某些晶体材料接触点处的整流效应。

1874年，德国物理学家费迪南德·布劳恩（见附近肖像）在维尔茨堡大学研究了导电性电解质和晶体的特性。当他用一根细金属丝的尖端探测铅矿晶体（硫化铅）时，布劳恩注意到电流只能单向地自由流动。他在金属和某些晶体材料的接触点发现了整流效应。

布劳恩于1876年11月14日在莱比锡向观众展示了这种半导体器件，但直到20世纪初的无线电出现后，它才被用作“晶体收音机”中的信号探测器。常用的描述性名称“猫须探测器”来源于用于与晶体表面建立电接触的精细金属探针。布劳恩更为人所知的是他在1897年开发的“布劳恩管”（德语中的braunsche röhre）示波器，即“阴极射线管”（crt）。他与古吉尔莫·马可尼共享了1909年的诺贝尔奖，以表彰他在无线电报发展方面的贡献，主要是为无线电接收器开发可调谐电路。

格林利夫·惠蒂尔·皮卡德（greenleaf whittier pickard）测试了数千种矿物样本以评估它们的整流特性。

在1902年至1906年间，美国电话电报公司（american telephone and telegraph）的电气工程师格林利夫·惠蒂尔·皮卡德（1877-1956）（见附近肖像）测试了数千种矿物样本以评估它们的整流特性。来自西屋电气公司的硅晶体取得了最好的结果。1906年8月20日，他提交了一个关于“通过电波接收智能通信的方法”的美国专利申请，用于硅点接触探测器（二极管），并于同年11月获得了专利（见皮卡德的美国专利836531）。皮卡德与两位合伙人共同创立了“无线专用仪器公司”（wireless specialty apparatus company），以销售“猫须”晶体收音机探测器。这可能是第一家制造和销售硅半导体器件的公司。另一位美国发明家亨利·邓伍迪（henry dunwoody）在皮卡德之后几周获得了一项使用碳化硅（carborundum）制造的点接触探测器的专利。

1915年，美国物理学家曼森·本迪克斯发现锗晶体可以将交流电转换为直流电，即锗晶体的整流特性。因此，锗被添加到半导体的列表中。此前，该列表仅包括硅、硒和碲。

1927年，美国人l.o. grondahl和p.h. geiger发明了铜氧化物整流器。1927年8月23日，美国专利1640335号授予了grondahl。

朱利叶斯·埃德加·利利恩费尔德（julius edgar lilienfeld）被认为是物理学和电子学领域的杰出人物。

1925年，著名发明家朱利叶斯·利利恩费尔德（见附近照片）在加拿大提交了一项专利申请，次年在美国提交了一项申请，描述了一种类似mesfet晶体管的设备，他称之为“用于控制电流的方法和装置”（见利利恩费尔德的美国专利1745175号）。

尤利乌斯·埃德加·利利恩菲尔德（1882-1963）是物理学和电子学领域的杰出人物。利利恩菲尔德是奥地利犹太人，出生在奥匈帝国的兰伯格（现在是乌克兰的利沃夫）。他在德国接受教育（物理学博士学位），并在20世纪20年代中期决定移民到美国。除了上述首个晶体管的专利外，他还持有该领域的其他几项专利，其中包括1928年的美国专利1900018号“用于控制电流的装置”，用于薄膜mosfet晶体管；1928年的美国专利1877140号“电流放大器”，用于通过多孔金属层控制电流流动的固态器件，是真空管的固态版本；以及1931年的美国专利2013564号“电解电容器”，用于第一个电解电容器。当布拉丁、巴尔丁和肖克利试图获得他们的晶体管专利时，大部分他们的申请都被驳回，主要是因为利利恩菲尔德的专利。

海尔1935年的专利

1934年，另一位德国科学家奥斯卡·海尔（1908-1994）申请了一项早期类似晶体管的设备的德国专利，描述了用电场控制半导体材料电阻的可能性，他称之为“有关电子放大器和其他控制安排和装置的改进”。1935年，海尔获得了他的设备的英国（见附近的英国专利图纸）、比利时和法国专利。

第一个晶体管1947年

第一个半导体器件被称为“猫须”，是由贾加迪斯·钱德拉·波斯于1901年发明的。猫须是一种使用点接触半导体整流器的无线电波探测器。

贾加迪斯·钱德拉·波斯，第一个半导体器件的发明者

晶体管是一种基于半导体材料的设备。1947年，约翰·巴尔丁、沃尔特·布拉丁和威廉·肖克利发明了晶体管。

约翰·巴尔丁是来自美国的工程师和物理学家。他是唯一两次获得诺贝尔物理学奖的个人。沃尔特·豪瑟·布拉丁在贝尔实验室担任物理学家。布拉丁大部分时间都在研究表面状态。在20世纪70年代，沃尔特是瓦拉瓦拉乡村俱乐部的热心会员，直到1987年去世。威廉·布拉德福德·肖克利是美国物理学家和发明家。他是贝尔实验室研究小组的负责人。

约翰·巴尔丁和沃尔特·布拉丁是美国电话电报公司贝尔实验室位于新泽西州默里山的实验室从1947年11月17日至1947年12月23日进行实验。他们发现当两个金点接触被应用到锗晶体上时，产生了一个输出功率大于输入的信号。固态物理学研究小组负责人威廉·肖克利看到了这个潜力，并花了接下来的几个月大力提高半导体技术。结果，约翰·r·皮尔斯发明了“晶体管”这个名称，以缩短“跨电阻”一词。

威廉·布拉德福德·肖克利、约翰·巴尔丁和沃尔特·豪瑟·布拉丁因“半导体研究和晶体管效应的发现”而在1956年获得诺贝尔物理学奖。

威廉·布拉德福德·肖克利因“半导体研究和晶体管效应的发现”而在1956年获得诺贝尔物理学奖。

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半导体晶体管：如何工作

晶体管可以在一组端子之间施加一点信号，从而控制另一组端子上的较大信号。这种属性被称为增益。它可以作为放大器，通过产生与较弱的输入信号成比例的更强的输出信号，如电压或电流。另外，晶体管还可以作为电控开关，在电路中打开或关闭电流。电流的大小由其他电路部件决定。

晶体管由两个堆叠在一起的p-n结组成。一个是正向偏置的，即基-发射结，而另一个是反向偏置的，即基-集电结。尽管基-集电连接是反向偏置的，但当在基-发射结中强制流过电流时，会发现在集电回路中流过更大的电流。

以npn晶体管为例进行说明。在pnp器件中，同样的原理适用，只是在基区域中，电子的替代物是空穴。当电流通过基-发射结时，电子离开发射极并进入基极。然而，在这个区域的掺杂被控制在最低限度，并且有很少的复合间隙。

因此，大多数电子可以穿过基区域进入集电区域，被正电位吸引。只有极小比例的发射极电子与基区的空穴结合，从而在基-发射回路中形成电流。因此，导致集电电流显著增加。

半导体晶体管：历史重要性

贝尔实验室于1948年发明了晶体管。晶体管的发明是电子学历史上的重要时刻，它标志着电子工业当前时代的开始。

晶体管革命性地改变了电子工业，使得几乎所有现代电子设备的发展成为可能，从电话到计算机，开启了信息时代。半导体被认为是现代电子设备的“大脑”。半导体是电子设备的重要组成部分，推动了通信、计算机、医疗保健、军事系统、交通运输、清洁能源和其他各个领域的进步。

由于广泛的使用，半导体晶体管具有如此重要的意义。以下是一些重要的用途：

电子开关由晶体管制成。它们可以以每秒数十亿次的速度开关电流。晶体管是在数字计算机中存储和传输数据的主要机制。此外，如果正确设置，晶体管可以用作放大器。这个属性在绝大多数音频和其他信号放大器中被使用。