晶体管的诞生及应用介绍

自1947 年首次出现在贝尔实验室到今天，晶体管给电子行业带来的变革可能比任何其他组件都要大。晶体管在现代技术的创新中发挥了至关重要的作用。虽然晶体管主要用于模拟电路中的放大和数字电路中的开关，但密集的研究和开发继续为基于晶体管的新应用打开大门。

 

由于超大规模集成 (VLSI) 技术，数十亿个晶体管可以放置在单个芯片上，用于计算应用。例如，Apple的M1 Ultra SoC由 1140 亿个晶体管组成——这是芯片上晶体管数量最多的一次。

早在 20 世纪初，工程师们就使用晶体管来放大电信号。这个用例的第一个实例来自英国电气工程师John Ambrose Fleming，当时他发明了真空管。然而，真空管面临许多只有现代晶体管的发明才能解决的缺点。

点接触晶体管：一颗星星诞生了

第一个公认的晶体管是由贝尔实验室的研究人员 Walter Brattain 和 John Bardeen 于 1947 年开发的。经过多次尝试用硅制造放大器后，Bardeen 和 Brattain 决定使用一块锗板和两个金箔来制造点接触晶体管。当金箔靠近锗表面时，他们观察到更多的电子空穴。贝尔研究人员还注意到，通过触点的电流在金箔的另一个触点处被进一步提升和放大。

 

这一发现标志着电子行业以晶体管为主导的新时代的曙光。1952 年，点接触晶体管在商业用途中广泛使用，并有助于制造电话系统。

从锗到硅

为了改进 Bardeen 和 Brattain 的晶体管设计，William Shockley 于 1951 年用锗制造了结型晶体管。Shockley 的结型晶体管只是三层半导体的三明治。外层比中间层包含更多的电子。肖克利解释说，这种设计允许电流流过夹在中间的半导体以制造放大器。

虽然点接触和结型晶体管依赖于锗，但研究人员很快注意到该组件在 180°F 时发生故障。这是因为当锗被加热到非常高的温度时，它会在晶体管中引入过多的自由电子，从而破坏整个组件。

1951 年贝尔实验室的商用结型晶体管。

图片由 Jack Ward、晶体管博物馆和计算机历史提供

这一缺陷促使德州仪器 (TI) 的研究员 Gordon Teal 在 1954 年发明了第一个硅晶体管。Teal 的硅晶体管具有与锗晶体管相同的工作原理，但它可以承受高温。硅晶体管是npn结构，通过生长结工艺制造。

MOSFET成就现代

硅晶体管的发展导致更多基于硅的晶体管的发明，例如金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)。第一个 MOSFET由贝尔实验室研究员 John Atalla 于 1960 年制造。该设计基于 Shockley 的场效应理论。

与三明治结型晶体管不同，MOSFET 具有 n 型或 p 型半导体的沟道。当电压施加到通道上时，会产生一个电场，它就像一个水龙头来打开和关闭晶体管中的电流。为了实现高开关速度，制造商通常在制造过程中采用外延分解工艺。该过程还在晶体管中产生高击穿电压。

下一代纳米晶体管

根据摩尔定律，集成电路 (IC) 中每单位面积的晶体管数量每两年翻一番。这种对小型化的推动为从微电子到纳米电子的下一代晶体管带来了复杂性。今天，研究人员的目标是将晶体管缩小到纳米级。

随着基于硅的晶体管现在以纳米尺寸运行，工程师面临着与物理空间缩小相关的设计和制造挑战。例如，一个 100nm 尺寸的 MOSFET 可能会遇到短沟道效应，从而对晶体管的性能产生不利影响。更重要的是，纳米尺寸的硅晶体管会经历高沟道泄漏电流。

2016 年，劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队声称创造了世界上最小的晶体管，尺寸为 1nm。

为了解决这些限制，研究人员现在正在研究制造晶体管的纳米技术材料。最近，研究人员探索了二维超薄单层材料，例如二硫化钼，以制造比微型硅晶体管更可靠的晶体管。碳纳米管和石墨烯也是有希望替代晶体管中硅的材料。

此外，德累斯顿工业大学的一组研究人员最近报道了“世界上第一个”高效有机双极结晶体管。该团队使用基于 n 型和 p 型掺杂红荧烯晶体薄膜的高度有序的薄有机层来开发有机双极晶体管。这些晶体管可以提高数据处理和传输的性能。

编辑：黄飞