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信息 / 计算机科学 1948

晶体管:一种半导体三极管

约翰·巴丁 与 沃尔特·布拉顿(贝尔实验室)

一小块锗,做到了真空管所做的事——放大与开关——却不必烧灯丝。

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In depth · the introduction

一颗灰色的金属小石子,能做到一只发光玻璃管所做的一切——把微弱的信号放大、把电流开开关关——却是冷的、极小的,而且经久耐用。

核心想法

1948 年之前,电子学的主力是真空管:一个玻璃泡,里头有一根发光的灯丝,能放大微弱信号,或当作开关用。真空管管用,可它笨重、发烫、易碎、耗电,还像灯泡那样会烧坏。一台收音机或早期计算机,得用上成千上万只。

巴丁与布拉顿证明:同样这两份活——放大与开关——可以在一小块叫做半导体的特殊材料里完成,既不要灯丝,也不要真空。把两根细丝紧挨着按在一块锗晶体上,一根丝上的微小电流,便能支配另一根丝上大得多的电流。小小的摆动进去,变成大大的摆动出来:这就是放大。或者把输入在「关」与「开」之间猛地一推,输出便啪地随之断、合:这就是开关。他们把它叫做晶体管。

它是如何诞生的

贝尔实验室,是美国电话公司的研究部门,它想为日益庞大的电话网,找一个比真空管更好的东西。由物理学家威廉·肖克利领衔的一个小组,已为此苦干了多年。在肖克利的头一个设想失败之后,约翰·巴丁——一位沉静的理论家——想明白了缘由:电荷被困在了晶体的表面。在实验家沃尔特·布拉顿的实验台旁,他们终于在 1947 年 12 月 16 日让它运转起来,一周后便放大了语音。贝尔于 1948 年 6 月 30 日公开宣布。

可凯旋之中,夹着龃龉。身为小组主管的肖克利,并未参与那最后的关键实验,深感被冷落。在随后的数月里,他发明了一个更结实、更实用的版本——结型晶体管——它终将胜出。三人共享了 1956 年的诺贝尔奖,但他们的失和拆散了小组,也间接地把日后缔造硅谷的那批人才,散播了出去。

它为何重要

此后几乎一切电子之物,都靠着这一个把戏运转。把晶体管缩小,在一小片硅上印出数百万只,你就有了一枚微芯片。你口袋里的手机,装着数百亿只,每一只都是那块锗上两根细丝的直系后代。整个数字时代——计算机、互联网、每一块屏幕与每一只传感器——都立足于:能用固态的物质,廉价地、以十亿计地,造出一只可靠的「放大器兼开关」。

一个可以想象的画面

想象一个水龙头。手柄轻轻一拧,便能支配从水管里奔涌而出的一股强劲水流——远比你指头使的那点力气要大。晶体管就是一只没有活动部件的电学水龙头:小小的输入电流是手柄,它支配着流经器件的、大得多的电流。把它拧开一半,你就能平滑地塑造水流——那是放大。把它猛地全开或全关——那是开关,就是拼写出一切数字之物的那些 1 与 0 的「开/关」。

一只做在锗块上的可交互点接触晶体管:拖动小小的发射极输入,看更大的集电极输出随之变化,空穴在两个触点之间漂移。一个模式按钮可把它从平滑的放大器切换为开/关的逻辑开关。

它的位置

真空管让早期的无线电和最初的电子计算机成为可能,却也定下了一道硬顶:机器只能造到那么大、烫到那么热。晶体管抬高了这道顶。它是一道枢纽,连接起计算的抽象构想——图灵的通用机、香农的比特、布尔的逻辑——与那个让它变得廉价的物理现实。从这里起,线索通往集成电路、微处理器,以及你正用来读这段文字的那台设备。

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公开宣告

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