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資訊 / 計算機科學 1948

電晶體:一種半導體三極管

約翰·巴丁 與 沃爾特·布拉頓(貝爾實驗室)

一小塊鍺,做到了真空管所做的事——放大與開關——卻不必燒燈絲。

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In depth · the introduction

一顆灰色的金屬小石子,能做到一只發光玻璃管所做的一切——把微弱的訊號放大、把電流開開關關——卻是冷的、極小的,而且經久耐用。

核心想法

1948 年之前,電子學的主力是真空管:一個玻璃泡,裡頭有一根發光的燈絲,能放大微弱訊號,或當作開關用。真空管管用,可它笨重、發燙、易碎、耗電,還像燈泡那樣會燒壞。一台收音機或早期電腦,得用上成千上萬只。

巴丁與布拉頓證明:同樣這兩份活——放大與開關——可以在一小塊叫做半導體的特殊材料裡完成,既不要燈絲,也不要真空。把兩根細絲緊挨著按在一塊鍺晶體上,一根絲上的微小電流,便能支配另一根絲上大得多的電流。小小的擺動進去,變成大大的擺動出來:這就是放大。或者把輸入在「關」與「開」之間猛地一推,輸出便啪地隨之斷、合:這就是開關。他們把它叫做電晶體。

它是如何誕生的

貝爾實驗室,是美國電話公司的研究部門,它想為日益龐大的電話網,找一個比真空管更好的東西。由物理學家威廉·肖克利領銜的一個小組,已為此苦幹了多年。在肖克利的頭一個設想失敗之後,約翰·巴丁——一位沉靜的理論家——想明白了緣由:電荷被困在了晶體的表面。在實驗家沃爾特·布拉頓的實驗台旁,他們終於在 1947 年 12 月 16 日讓它運轉起來,一週後便放大了語音。貝爾於 1948 年 6 月 30 日公開宣布。

可凱旋之中,夾著齟齬。身為小組主管的肖克利,並未參與那最後的關鍵實驗,深感被冷落。在隨後的數月裡,他發明了一個更結實、更實用的版本——接面電晶體——它終將勝出。三人共享了 1956 年的諾貝爾獎,但他們的失和拆散了小組,也間接地把日後締造矽谷的那批人才,散播了出去。

它為何重要

此後幾乎一切電子之物,都靠著這一個把戲運轉。把電晶體縮小,在一小片矽上印出數百萬只,你就有了一枚微晶片。你口袋裡的手機,裝著數百億只,每一只都是那塊鍺上兩根細絲的直系後代。整個數字時代——電腦、網際網路、每一塊螢幕與每一只感測器——都立足於:能用固態的物質,廉價地、以十億計地,造出一只可靠的「放大器兼開關」。

一個可以想像的畫面

想像一個水龍頭。手柄輕輕一擰,便能支配從水管裡奔湧而出的一股強勁水流——遠比你指頭使的那點力氣要大。電晶體就是一只沒有活動部件的電學水龍頭:小小的輸入電流是手柄,它支配著流經器件的、大得多的電流。把它擰開一半,你就能平滑地塑造水流——那是放大。把它猛地全開或全關——那是開關,就是拼寫出一切數字之物的那些 1 與 0 的「開/關」。

一只做在鍺塊上的可互動點接觸電晶體:拖動小小的射極輸入,看更大的集極輸出隨之變化,電洞在兩個觸點之間漂移。一個模式按鈕可把它從平滑的放大器切換為開/關的邏輯開關。

它的位置

真空管讓早期的無線電和最初的電子電腦成為可能,卻也定下了一道硬頂:機器只能造到那麼大、燙到那麼熱。電晶體抬高了這道頂。它是一道樞紐,連接起計算的抽象構想——圖靈的通用機、夏農的位元、布林的邏輯——與那個讓它變得廉價的物理現實。從這裡起,線索通往積體電路、微處理器,以及你正用來讀這段文字的那台設備。

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公開宣告

J. Bardeen & W. H. Brattain · Bell Telephone Laboratories · Physical Review 74, 230–231 · received June 25, 1948 · published July 15, 1948
A three-element electronic device which utilizes a newly discovered principle involving a semiconductor as the basic element is described. It may be employed as an amplifier, oscillator, and for other purposes for which vacuum tubes are ordinarily used.
The device consists of three electrodes placed on a block of germanium as shown schematically. Two, called the emitter and collector, are of the point-contact rectifier type and are placed in close proximity (separation ~.005 to .025 cm) on the upper surface; the third is a large area low resistance contact on the base.

工作原理

The emitter is biased in the forward (positive) direction so that a current flows from it into the germanium; the collector is biased in the reverse (negative) direction. A small change of the emitter current produces a large change of the collector current.
[ … ]
The action depends on the introduction of holes — carriers of positive charge — into the body of the semiconductor by the emitter, and their flow to the collector through the n-type germanium. The signal applied to the emitter circuit appears amplified in the collector circuit, which works into a load of high resistance.

增益

Using the point-contact geometry, an overall power gain of the order of 100 (20 db. or more) was obtained, the input being a small change in emitter current and the output a large change in collector voltage across the load.
Bell Telephone Laboratories · Murray Hill, New Jersey · June 25, 1948