晶體管之路

可以夸張地說，沒有他們的發明就沒有現在計算機的科學，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 年在貝爾實驗室（美國貝爾實驗室是晶體管、激光器、太陽能電池、發光二極管、數字交換機、通信衛星、電子數字計算機、C語言、UNIX操作系統、蜂窩移動通信設備、長途電視傳送、仿真語言、有聲電影、立體聲錄音，以及通信網等許多重大發明的誕生地。

自1925年以來，貝爾實驗室共獲得兩萬五千多項專利，現在，平均每個工作日獲得三項多專利。貝爾實驗室的使命是為客戶創造、生產和提供富有創新性的技術，這些技術使朗訊科技（Lucent Technologies）公司在通信系統、產品、元件和網絡軟件方面處于全球領先地位。

一共獲得8項（13人）諾貝爾獎（其中7項物理學獎，1項化學獎）-來源于百度百科（貝爾實驗室））由 John Bardeen、Walter Brattain 和 William Shockley 的團隊發明，他們后來因此獲得了諾貝爾獎。第一個晶體管是鍺點接觸晶體管，由兩個與鍺片表面點接觸的薄電極組成，第三根導線連接到基極。

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

它始于 1906 年。

1906 年是影響未來幾年世界的年份之一，盡管當時很少有人意識到這一點。1906 年 10 月，格林利夫·惠蒂爾·皮卡德（詩人約翰·格林利夫·惠蒂爾的外甥）獲得了一項關于接收無線電信號的方法的專利，其中包括一個硅點接觸二極管。{美國專利 836-531于 1906 年 8 月 30 日提交并于 1906 年 11 月 20 日頒發} 不久之后，Henry Dunwoody 獲得了一項關于使用由碳化硅（silicon carbide）制成的點接觸式探測器的系統的專利。{美國專利 837-616于 1906 年 3 月 23 日提交并于 1906 年 12 月 4 日頒發}。

這些探測器遠遠優于當時正在使用的探測器。1906 年之前，無線電系統（或稱為無線電報）有一個由電感器組成的發射器，該電感器充有電流，然后通過間隙（火花隙）放電。火花隙的一側接地，另一側連接到盡可能長且盡可能高的天線。接收器同樣使用了一個天線（盡可能長和高），該天線連接到一個稱為相干器的設備。

相干器由Edouard Branly于 1890 年開發，是一個松散填充金屬屑的玻璃管，兩端的觸點與電池和某種信號或記錄儀器串聯。通常，金屬屑太松散而無法傳導電流，但是當電磁信號到達凝聚器時，金屬屑會聚結（凝聚）并且電流將流過電路以啟動信號或記錄儀器。

不幸的是，當信號停止時，金屬屑并沒有恢復到不導電狀態，因此必須輕敲管子，為下一個信號做好準備。先進的 coherers 使用記錄設備驅動小錘子進行敲擊。

雖然相干器不是很敏感，但是令人驚訝的是，這樣一個奇怪的設備竟然能工作，當馬可尼在 1901 年跨越大西洋時，正是這個設備被用作探測器。（當然，他的天線在風箏末端有 400 英尺長。）你可以在 Marconi 的美國專利{ 1896 年 12 月 7 日提交并于 1897 年 7 月 13 日頒發的美國專利 586-193 中看到這一點。這是他著名的英國專利號 7，777 的美國版本。}查看這一天才發明。

那么，硅點接觸二極管是在 1906 年就被發明了，為什么要添加另一條導線來制作晶體管需要這么長時間？有幾個原因。

追根溯源-1883 年

第一個原因是 1906 年發明的其他東西是 1883 年發生的事情的結果。

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，電流就會流動（愛迪生效應）。因為他正忙于建設世界上第一個商業發電站盡管愛迪生效應對他來說很不尋常，但是愛迪生并沒有跟進。具有諷刺意味的是，愛迪生發現了將交流電轉換為直流電的方法，因為他非常反對交流電。他的所有發電系統都是直流電，其中一些系統直到 1940 年代仍在紐約市的部分地區使用。

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{弗萊明的美國專利 803-684于 1905 年 4 月 19 日提交并于 1905 年 11 月 7 日頒發。}。

1906年二極管檢測器

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

專利內容：

“我的發明的目的是通過下文更全面描述的結構特征和電路布置來提高在其結構中包括氣態介質的振蕩檢測器的靈敏度。”

Lee de Forest 認為他的三極管只是一種更靈敏的二極管檢測器。1911 年，埃德溫·阿姆斯特朗 （Edwin Armstrong） 第一個認識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，因為它們價格昂貴，壽命短，而且放大率也不高。1914 年，AT&T 購買了用于無線電接收器的三極管的使用權，并開始對其進行改進。第一次世界大戰的到來，進一步刺激了發展。

因此，當點接觸二極管在 1906 年發明時，放大是一個新概念，人們對研究已經更好的東西更感興趣-真空三極管。

技術和設備

另一個原因是半導體需要高純度以及受控量的雜質來創建 p 型和 n 型材料的技術和設備不存在；此外，人們不知道他們需要這個。他們不知道的原因是沒有人知道點接觸二極管是如何工作的。

直到 1930 年代后期，德國的 Walter Schottky、英國的 Nevill F. Mott 和蘇聯的 Alexander Davydov 才提出金屬-半導體結的理論：半導體材料在結處耗盡載流子，這對通過結的平衡電子流形成有效屏障。施加降低勢壘的電場（半導體側的更高電位）允許電子流動，而該電場的反轉進一步耗盡半導體的載流子，從而提高電子流動的勢壘。我們有一個二極管整流器。

盡管人們不知道點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，無線電都是摩爾斯電碼，大多數無線電由業余無線電愛好者（業余愛好者）、從事發送信息業務的商業電臺或海軍操作電臺。

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

第一個真空管不能產生很大的功率，所以只能傳輸文字信息。當真空管發展到可以產生大量功率的程度，語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品創造需求的一種方式，因此，許多早期的廣播電臺都是由真空管制造商創辦的。像美國廣播公司這樣的公司。

盡管真空管占據了中心位置，但對半導體的一些研究仍在繼續。

1926 年，鍺被添加到半導體列表中。這是一個由硅、硒和碲組成的半導體。

氧化銅整流器（美國專利 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）德國物理學家，著有蓋革-米勒計數器）于 1927 年發明的。氧化銅整流器具有良好的正向電流傳導，但額定反向電壓較差，約為 6 伏。然而，因為它們可以建立在板上而不是點接觸，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？因為 Geiger 的參考文獻是：LO Grondahl，PH Geiger，“一種新型電子整流器”，Proc。AIEE 冬季大會，第 357 頁，紐約 1927 年。［美國電氣工程師協會 （AIEE） 于 1963 年與無線電工程師協會 （IRE） 合并，組成了電氣和電子工程師協會 （IEEE）。］ 主要原因是該專利已轉讓給 Union Switch & Signal Company。George Westinghouse 公司。

氧化銅整流器的最大和最長用途是在萬用表中，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，仍然在其非電子萬用表中使用氧化銅整流器。

唯一一家仍在生產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自智利。試過很多其他地方的銅材，但沒有生產出很好的整流器。這表明銅中含有一種使器件工作的未知雜質。

硒整流器是由 CE Fitts 于 1933 年發明的。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，當時的處理方式是將其中幾個堆疊在一起以獲得更高的電壓，板結構很容易用于堆疊。

硒整流器在 1950 年代的電視機中達到了頂峰。Edal Industries（氧化銅整流器的最后一個現有來源）也仍然銷售硒整流器，主要用于工業靜電空氣凈化器的高壓電源。當硒整流器超過額定值并燃燒時，它們會散發出相當難聞的氣味。如今，由于硒的毒性，它們在消費品中的使用受到限制。

1930 年 1 月 28 日，美國專利 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“單向導電性”的金屬膜。那時還不存在實際制造晶體管的材料，沒有實驗表明該設備有效，但這是一種絕妙的實驗預案。

1939 年，威廉·肖克利 （William Shockley） 和沃爾特·布拉頓 （Walter Brattain） 嘗試通過將一個微小的控制網格插入氧化銅層中來構建半導體放大器，但未成功。第二次世界大戰結束了他們的實驗。

但是第二次世界大戰在技術上產生了巨大的進步。

其中之一是雷達的發展。第一個實用的雷達在 300 MHz 左右的相對較低的頻率上運行。更高的頻率更好，因為它們提供更高的目標分辨率。隨著 1940 年磁控管的發明，微波發射器 （3，000 MHz） 成為現實。

接收則具有另一種難度，由于電極之間存在各種寄生電容，因此無法在這些頻率下使用真空管。猜猜是什么來拯救？我們的老朋友-點接觸二極管。因為它是點接觸設備，所以“結”電容極低。它們的使用方式是信號將進入并直接進入二極管，二極管作為混頻器運行，將信號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。事實上，直到 1980 年代初，當砷化鎵晶體管得到完善時，除了必須用液氮冷卻的昂貴參數放大器之外，才有了直二極管混頻器的替代品。

在第二次世界大戰開始時，可用的點接觸二極管不是很可靠，也不是很好。這就是為什么美國政府設立了一個緊急計劃來改進它們。到戰爭結束時，在生產非常高純度的硅和鍺方面取得了長足的進步，這使得為雷達接收器生產非常好的、可靠的、低噪聲的點接觸二極管成功。

Russel Ohl 提出了生產高純度硅的方法{美國專利 2，402，661于 1941 年 3 月 1 日提交并于 1046 年 6 月 25 日發布；美國專利 2，402，839于 1941 年 3 月 27 日提交并于 1946 年 6 月 25 日頒發}請注意，這兩項專利均在美國進入第二次世界大戰之前提交并在二戰結束后頒發。

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

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

點接觸晶體管由約翰·巴丁 （John Bardeen） 和沃爾特·布拉頓 （Walter Brattain） 于 1947 年發明。威廉·肖克利（團隊負責人）當時不在場，也沒有因為這項發明而獲得榮譽，這讓他非常生氣。但是。點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，所以他繼續按照自己的想法工作，這導致結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明中找到（改變世界的發明是雷達。）

肖克利開發的晶體管是結型晶體管，它是通過將各種化學物質擴散到鍺中而制成的。當這個過程完成時，最終得到了一些相當不錯的晶體管。

這一時期（我能找到的）最早的專利是美國專利 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。請注意，該專利僅將 Bardeen 和 Brattain 列為發明人，而忽略了 Shockley。另請注意，該申請是 1948 年 2 月 26 日提交（并被放棄）的先前申請的部分繼續申請。在專利中，部分延續意味著您在原始專利申請未決期間以某種實質性方式改進了基本發明，并且希望對特定改進提出要求。這并不意味著必須放棄原來的申請。

肖克利還是設法得到了一些自己的專利，如 美國專利2569347 提交于1948年6月26日和9月25日頒布，1951年，和美國專利2502488提交于1948年9月24日和1950年4月4日發行。 美國專利2623105提交于1951年9月21日和12月23日頒布，1952年似乎涉及一個結型晶體管。

雖然，晶體管有很長的書面記錄，第一個晶體管是由鍺制成的，但是仍然可以購買到鍺點接觸二極管。

新增故事線

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

“在碳化硅晶體上的兩點之間施加 10 伏的電勢時，晶體發出淡黃色的光。只能找到一兩個樣本在如此低的電壓下發出明亮的光，但在 110 伏的情況下，晶體會發出黃色的光。在一些晶體中，只有邊緣發出光，而其他晶體發出光，不是黃色的而是淺綠色、橙色或藍色。在所有測試的情況下，發光似乎來自負極，出現明亮的藍綠色火花在正極。在單晶中，如果在中心附近與負極接觸，而正極在任何其他地方接觸，則只有一部分晶體會發光，而同一部分無論在哪里正極已放置。”

碳化硅與 Dunwoody 在 1906 年用來制造第一個硅點接觸二極管的材料相同。

HJ Round船長是一位獲得117項專利的電子先驅，是馬可尼的私人助理。

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

看來 Round 發現了 LED。他甚至有一個藍色 LED，比 Cree Research 使用碳化硅制造他們的 LED 早 80 年。當然，他們的藍色 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