真空三極管誕生不到20年時，物理學家就開始了開發真空三極管接替者的嘗試，這種嘗試風險巨大。因為三極管不僅使長途電話和電影聲音成為可能，還推動了整個商業無線電事業的發展，1929年，這個行業的價值超過10億美元。但是真空管耗電量大且極易受損，如果能找到一種更加堅固、可靠和高效的三極管替代品，回報也將是巨大的。

因此，研究人員將目光投向了一種由半導體制成的三端器件，它可以將低功率信號輸入一個輸入端，并用它來控制另兩個端之間的大電流，從而放大原始信號。這種器件的基本原理稱為“場效應”，描述的是電場調節半導體材料導電性的能力。得益于二極管和對半導體的相關研究，場效應在當時已經廣為人知。

不過20多年過去，制造這樣一款器件對一些世界頂級物理學家來說仍是一個難以克服的挑戰。從1925年開始，人們就提交了類晶體管器件的專利申請，但第一個有記錄的可用晶體管是1947年底美國電話電報公司貝爾電話實驗室制造的傳奇般的點接觸式器件。

雖然點接觸式晶體管是20世紀最重要的發明，但令人驚訝的是，對于它的實際工作原理卻沒有清晰、完整和權威的解釋。現代更堅固的結型晶體管和平面晶體管依賴的是半導體主體的物理特性，而不是第一個晶體管所利用的表面效應。在學術上，對這種差距的關注相當少。

點接觸式晶體管是一個看起來很笨拙的鍺、塑料和金箔的組合，頂部有一個彎曲的彈簧。它的發明者是說話溫和的中西部理論家約翰?巴丁（John Bardeen）和健談但“情緒有點反復無常”的實驗主義者沃爾特?布拉頓（Walter Brattain）。兩人都曾在威廉?肖克利（William Shockley）手下工作，但后來他們出現了不和。1947年11月，一個簡單的問題難住了巴丁和布拉頓。在他們使用的鍺半導體中，表面的電子層似乎阻擋了外加電場，阻止它穿透半導體和調節電流。沒有調制，就無法放大信號。

1947年末，他們突然想到了一個解決辦法，使用彎曲的彈簧輕輕地將兩片幾乎分不開的金箔推到了小鍺板的表面。 教科書和大眾報道都傾向于忽略點接觸式晶體管的機制，選擇解釋其新近后代的工作原理。霍洛維茨（Horowitz）和希爾（Hill）合著的《電子學的藝術》是電子工程本科生的圣經，但實際上，這本書的當前版本根本沒有提到點接觸式晶體管，并錯誤地宣稱結型晶體管是“1947年諾貝爾獎獲獎發明”，從而掩蓋了點接觸式晶體管的存在。但1947年發明的晶體管是點接觸式晶體管；1948年肖克利才發明了結型晶體管。

因此，1956年約翰?巴丁的諾貝爾獎演講是對點接觸式晶體管的最全面的解釋，這似乎是合理的。即便如此，我們在閱讀這篇演講內容時也會感到，即便是發明者自己也可能對一些細節不理解。明尼蘇達大學查爾斯?巴貝奇科學技術史研究所前所長托馬斯?米薩（Thomas Misa）說：“點接觸式晶體管令很多人感到困惑。”

事實上，在巴丁演講后的第二年，在電力電子領域持續致力于開創性工作的加州理工學院電氣工程學教授R.D.米德爾布魯克（R.D. Middlebrook）寫道：“由于該器件的三維特性，理論分析很困難，而且實際上，我們也尚未完全理解它的內部操作。” 盡管如此，我們仍然可以借助發展了75年的半導體理論來嘗試解釋。點接觸式晶體管是圍繞一塊拇指大小、帶有過多負電荷電子的n型鍺板構建的。這塊鍺板經過處理，會產生一個非常薄的p型表面層，這意味著它有過多的正電荷。這些正電荷稱為“空穴”。它們實際上是在半導體原子之間移動的電子留下的局部空位，就像真正的粒子一樣。

鍺板底部與電接地的電極連接，形成了晶體管的基極。接觸表面的兩條金箔形成了另外兩個電極，被稱為“發射極”和“集電極”。 以上就是其內部布局。在操作過程中，對發射極施加不到1伏特的少量正電壓，對集電極施加更大的4到40伏特負電壓，均需參考接地的基極。p型層和n型板之間的界面形成了一個結，就像二極管中的結一樣：本質上，結是一個勢壘，只允許電流朝著較低的電壓方向流動。因此，電流可以從正極發射極流過勢壘，卻沒有電流可以流過勢壘進入集電極。

現在，再看看原子之間的情況。首先，我們會斷開集電極，看看沒有它時發射極周圍會出現什么情況。發射極將正電荷（空穴）注入p型層，然后正電荷開始向基極移動,但不會沿直線移動。p型薄層會迫使它們在穿過勢壘進入n型板之前向側邊散開一段距離。想象一下慢慢把少量細粉倒在水面上，粉末最終會下沉，但首先會呈圓形散開。

現在我們連接集電極。雖然它本身不能通過p-n結的勢壘吸收電流，但它較大的負電壓和尖角形狀確實會產生能夠穿透鍺的集中電場。集電極離發射極很近，而且帶負電，所以它會開始吸收許多從發射極擴散開來的空穴。這種電荷流會導致集電極下p-n結勢壘附近的空穴發生集中。這種集中能有效降低勢壘的“高度”,否則勢壘會阻止電流在集電極和基極之間流動。隨著勢壘降低，電流開始從基極流入集電極，且比發射極流入晶體管的電流大得多。 電流的大小取決于勢壘的高度。

發射極電壓的小幅下降或上升會導致勢壘上下波動。因此，發射極電流的微小變化即可控制集電極的巨大變化，所以就出現了放大。（電子工程師們會注意到，與后來的晶體管相比，基極與發射極的功能是相反的，在后來的晶體管中，控制晶體管響應的是基極而非發射極。） 它笨拙且脆弱，卻是一個半導體放大器，而且它的后代將改變世界，其發明者也知道這一點。1947年12月16日是決定性的一天，布拉頓想到了一個辦法，用一條金箔帶系住三角形塑料，微小的縫隙可以將發射極和集電極觸點分開。這種配置帶來了可靠的功率增益，巴丁和布拉頓知道他們成功了。

那天晚上，布拉頓在拼車回家的路上告訴同伴，他剛剛完成了“一生中最重要的實驗”，并讓他們發誓保守秘密。沉默寡言的巴丁也忍不住分享了這個消息。據說，那天晚上，他在妻子簡準備晚餐時簡單地說了一句:“我們今天有些發現。”孩子們在廚房里蹦蹦跳跳，妻子回答說:“太好了，親愛的。” 晶體管終于出現了，但相當不結實。發明者后來想到了在晶體管制造過程中通過大電流實現電成型集電極的想法。借助這項技術，他們能夠獲得更大的電流，而不是被嚴格限制在表面層內的電流。不過，電成型有點碰運氣。“他們會扔掉那些不起作用的。”米薩指出。

盡管如此，在美國電話電報公司的許可下，許多公司還是投產了點接觸式晶體管，1951年，美國電話電報公司自己的制造部門西部電氣也開始了生產。點接觸式晶體管被用于助聽器、振蕩器、電話路由設備、美國無線電公司（RCA）制造的實驗性電視接收器，以及第一臺機載數字計算機Tradic等系統。事實上，點接觸式晶體管直到1966 年還在生產，部分原因是與替代品相比，它的速度更快。

貝爾實驗室團隊并不是唯一成功研發晶體管的團隊。在巴黎東北部郊區的歐奈蘇布瓦市，赫伯特?馬塔雷（Herbert Mataré）和海因里希?韋爾克（Heinrich Welker）兩位德國物理學家也在嘗試制造三端半導體放大器。在為西屋公司的一家法國子公司工作時，他們繼續了馬塔雷在1944年為德國軍方開發鍺和硅整流器時所做的非常有趣的觀察。1948年6月，兩人成功制造出一種可靠的點接觸式晶體管。

大約一個星期后，貝爾實驗室終于在1948年6月30日的新聞發布會上公布了研發點接觸式晶體管的消息，這令馬塔雷和韋爾克大吃一驚。因為雖然這兩款器件是在完全獨立和秘密狀態下開發的，但卻幾乎完全相同。

晶體管的故事在此處發生了不尋常的轉折，其精妙設計令人驚嘆，其細節也給人帶來了煩惱。巴丁和布拉頓的老板威廉?肖克利非常憤怒，因為他的名字沒有出現在巴丁和布拉頓的晶體管原始專利申請書中。他確信巴丁和布拉頓將他關于半導體場應用的理論用在了他們的工作器件中，卻沒有計算他的功勞。肖克利曾在1945年基于這些理論制造過一款晶體管，但沒有成功。

1947年12月底，在點接觸式晶體管取得初步成功不到兩周后，肖克利前往芝加哥參加美國物理學會年會。新年前夕，他躲在酒店房間里，在嫉妒和憤怒情緒的強烈驅使下，開始設計自己的晶體管。他在3天的時間里寫了大約30頁筆記。月底時，他就完成了雙極結型晶體管（BJT）的基本設計，這種晶體管最終取代了點接觸式晶體管，并在20世紀70年代末之前一直占據主導地位。

雙極結型晶體管以肖克利深信的觀點為基礎，即電荷可以而且應該流經塊狀半導體，而不是流經其表面的薄層。該器件由三明治一樣的3個半導體層組成：發射器、中間的基極，以及集電極。它們交替摻雜，因此有兩個版本：稱為NPN的n型/p型/n型，以及稱為PNP的p型/n型/p型。

雙極結型晶體管依賴的原理與點接觸式晶體管基本相同，但它使用了兩個p-n結而非一個。用作放大器時，施加給基極的正電壓允許小電流在基極和發射極之間流動，這反過來控制了集電極和發射極間的大電流。 以NPN器件為例。基極是p型，所以有多余的空穴。但是它很薄，且摻雜較輕，所以空穴相對較少。極小一部分的流入電子與這些空穴結合，并從循環中移除，絕大部分（超過97%）電子則繼續流經薄薄的基極，進入集電極，形成強大的電流。

那些與空穴結合的少數電子必須從基極排出，才能保持其p型性質，并承載通過它的強電流。移除“被俘獲”的電子是通過流出基極的相對較小的電流來實現的。涓涓細流使更強的電流流入集電極。因此，實際上，小基極電流控制著高功率集電極電路。

電場開始發揮作用，但它們不會調節電流，而早期的理論家認為，這種器件要發揮作用，就必須調節電流。其中的要點是：耗盡區跨越了雙極結型晶體管的兩個p-n結，電子和空穴在耗盡區結合，且那里的移動電荷載流子相對較少。施加給結的電壓會在每個結處形成電場，將電荷推過這些區域。這些電場會讓電子從發射極一直流過基極，進入集電極。

在雙極結型晶體管中，“外加電場會影響載流子密度，但因為這種影響是指數級的，所以只需要一點點就可以產生大量的擴散電流。”哥倫比亞大學電氣工程系主任揚尼斯?“約翰”?基米西斯（Ioannis“John”Kymissis）解釋道。 雙極結型晶體管比點接觸式晶體管更加堅固和可靠，正是這些特性鑄就了它的偉大，但還需要一段時間才能證明。從20世紀60年代初首次出現，到20世紀70年代末被金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）取代，雙極結型晶體管一直被用于制造集成電路。

事實上，正是這些場效應晶體管（首先是結型場效應晶體管，然后是MOSFET）最終實現了幾十年來基于場效應運行的三端半導體器件夢想，而這正是肖克利最初的構想。 20世紀50年代初，人們很難想象會有這樣輝煌的未來，當時美國電話電報公司等正在努力尋找有效且實用的方法來制造新的雙極結型晶體管。肖克利本人繼續投入到硅研究領域。他搬到了帕洛阿爾托，并于1956年創立了一家公司，引領了電子半導體從鍺到硅的轉變，促成了硅谷的興起。其公司的員工后來創立了仙童半導體公司，然后是英特爾公司。





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