晶体管。发明和生产的历史

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晶体管，即半导体三极管，是由半导体材料制成的电子元件，通常具有三个端子，它允许输入信号控制电路中的电流。通常用于放大、生成和转换电信号。在一般情况下，晶体管是模仿晶体管主要特性的任何设备 - 当控制电极上的信号发生变化时，信号在两种不同状态之间变化。

世界上第一个工作晶体管的副本

40 年代后期晶体管的发明是电子历史上最大的里程碑之一。长期以来，真空管一直是所有无线电和电子设备不可或缺的主要元素，但它有许多缺点。

随着无线电设备的复杂性和对它的总体要求的提高，这些缺点越来越明显。这些首先包括灯的机械脆弱性、使用寿命短、尺寸大以及由于阳极处的大量热损失而导致的低效率。因此，当没有任何所列缺陷的半导体元件在 XNUMX 世纪下半叶取代真空管时，无线电工程和电子学发生了真正的革命。

必须说，半导体并没有立即向人类展示其非凡的特性。长期以来，电气工程中只使用导体和电介质。一大群占据中间位置的材料没有找到任何应用，只有少数研究电的性质的研究人员不时对它们的电性能表现出兴趣。于是，在 1874 年，布朗发现了铅和黄铁矿接触点处的电流整流现象，并创造了第一台晶体探测器。

其他研究人员发现，其中所含的杂质对半导体的导电性有显着影响。例如，Beddecker 在 1907 年发现，在存在碘混合物的情况下，碘化铜的电导率会增加 24 倍，而碘混合物本身并不是导体。

是什么解释了半导体的特性以及为什么它们在电子产品中变得如此重要？让我们以锗这样的典型半导体为例。在正常情况下，它的电阻率是铜的30万倍，玻璃的1000000亿倍。因此，就其特性而言，它仍然比电介质更接近导体。如您所知，物质传导或不传导电流的能力取决于其中是否存在自由带电粒子。

晶体管
锗晶格

在这个意义上，锗也不例外。它的每个原子都是四价的，必须与相邻原子形成四个电子键。但是由于热作用，一些电子离开它们的原子并开始在晶格的节点之间自由移动。每 2 亿个原子大约有 10 个电子。一克锗含有大约一亿个原子，也就是大约有两千亿个自由电子。这比铜或银等材料少一百万倍，但仍足以让锗通过自身的小电流。

晶体管
p型半导体中空穴的运动

然而，正如已经提到的，锗的电导率可以通过将杂质引入其晶格中来显着增加，例如，砷或锑的五价原子。然后四个砷电子与锗原子形成价键，但第五个将保持自由状态。它将与原子弱结合，因此施加在晶体上的小电压足以使其断裂并变成自由电子（很明显，砷原子在这种情况下变成带正电的离子）。所有这些都显着改变了锗的电学特性。尽管其中的杂质含量很少——每 1 万个锗原子中只有 10 个原子，但由于它的存在，锗晶体中的自由带负电粒子（电子）的数量增加了很多倍。这种半导体通常称为n型半导体（从负-负）。

晶体管

电流通过 pn 结

当将三价杂质（例如铝、镓或铟）引入锗晶体时，情况会有所不同。每个杂质原子仅与三个锗原子形成键，并且代替第四个键将有一个自由空间 - 一个可以很容易地被任何电子填充的空穴（在这种情况下，杂质原子被负离子化）。如果这个电子从相邻的锗原子传递给杂质，那么后者将反过来有一个空穴。

通过对这种晶体施加电压，我们获得了可以称为“空穴位移”的效果。的确，让电子从外部源负极所在的一侧，填充三价原子的空穴。因此，电子将向正极靠近，而在靠近负极的相邻原子中形成一个新的空穴。然后同样的现象发生在另一个原子上。反过来，新的空穴将充满一个电子，从而接近正极，由此形成的空穴将接近负极。当这种运动的结果是电子到达正极时，它将从那里到达电流源，空穴将到达负极，在那里它将被来自电流源的电子填充。空穴就像一个带正电荷的粒子一样移动，我们可以说这里的电流是由正电荷产生的。这种半导体称为p型半导体（从positiv - positive）。

就其本身而言，杂质导电现象还不是很重要，但是当连接两个半导体时——一个具有 n 导电性，另一个具有 p 导电性（例如，当在一个锗晶体中产生 n 导电性时）一侧，另一侧为 p 电导率 - 电导率） - 发生了非常奇怪的现象。 p区的负电离原子会排斥n区的自由电子进行跃迁，n区的正电离原子会排斥p区的空穴进行跃迁。也就是说，pn结会变成两个区域之间的一种势垒。因此，晶体将获得明显的单面导电性：对于某些电流，它会表现得像导体，而对于其他电流 - 就像绝缘体。

实际上，如果将大于 pn 结的“关断”电压的电压施加到晶体上，并且以这样的方式将正极连接到 p 区，将负极连接到 n 区，然后电流将在由电子和空穴相互移动形成的晶体中流动。

如果外部源的电位以相反的方式改变，电流将停止（或者更确切地说，它会非常微不足道） - 结果只会有电子和空穴从两个区域之间的边界流出其中，它们之间的潜在障碍会增加。

在这种情况下，半导体晶体的行为将与二极管真空管完全相同，因此基于此原理的器件称为半导体二极管。像管二极管一样，它们可以用作检测器，即电流整流器。

当在半导体晶体中形成的不是一个而是两个 pn 结时，可以观察到一个更有趣的现象。这种半导体元件称为晶体管。它的一个外部区域称为发射极，另一个称为集电极，中间区域（通常做得很薄）称为基极。

如果我们向晶体管的发射极和集电极施加电压，则无论我们如何反转极性，都不会有电流流动。

（点击放大）

但是，如果您在发射极和基极之间产生一个小的电位差，那么来自发射极的自由电子会在克服 pn 结后落入基极。而且由于基极很薄，只有少量的这些电子就足以填充位于 p 区的空穴。因此，它们中的大多数将进入集电极，克服第二次转换的锁定障碍 - 电流将出现在晶体管中。这种现象更加显着，因为发射极-基极电路中的电流通常比发射极-集电极电路中流动的电流小十倍。

由此可以看出，晶体管的作用在某种意义上可以被认为是一个三极灯的模拟物（尽管它们的物理过程完全不同），而这里的基极扮演着放置网格的角色阳极和阴极之间。就像在灯中，栅极电位的微小变化会导致阳极电流发生很大变化，在晶体管中，基极电路的微小变化会导致集电极电流发生很大变化。因此，晶体管可以用作放大器和电信号发生器。

半导体元件从 40 年代初开始逐渐取代真空管。自 1940 年以来，点锗二极管已广泛用于雷达设备中。雷达总体上刺激了用于高功率高频能源的电子产品的快速发展。对分米和厘米波的兴趣越来越大，在创建能够在这些范围内运行的电子设备方面表现出越来越大的兴趣。同时，电子管在高频和超高频区域使用时表现不佳，因为它们自身的噪声显着限制了它们的灵敏度。在无线电接收器的输入端使用点锗二极管可以显着降低固有噪声，增加物体检测的灵敏度和范围。

晶体管

然而，真正的半导体时代开始于二战之后，点晶体管被发明出来。它是在 1948 年由美国公司“贝尔”肖克利、巴丁和布拉顿的员工进行多次实验后创建的。通过将两个点触点放置在彼此相距很近的锗晶体上，并对其中一个施加正向偏压，对另一个施加反向偏压，他们能够使用流过第二个的电流来控制通过第二个触点的电流。第一次接触。第一个晶体管的增益约为 100。

这项新发明迅速普及。第一个点晶体管由具有 n 型导电性的锗晶体组成，作为基体，两个薄青铜点位于其上，彼此非常靠近 - 相距几微米。其中一个（通常是铍青铜）用作发射极，另一个（由磷青铜制成）用作集电极。在晶体管的制造中，大约一安培的电流通过尖端。锗熔化了，尖端也熔化了。铜和其中存在的杂质进入锗并在点接触的紧邻处形成具有空穴导电性的层。

由于设计不完善，这些晶体管并不可靠。它们不稳定，无法在高功率下工作。他们的成本很高。但是，它们比真空管可靠得多，不怕潮湿，消耗的功率比同类真空管少数百倍。同时，它们非常经济，因为它们的电源需要 0,5-1 V 量级的非常小的电流，并且不需要单独的电池。它们的效率达到 70%，而灯很少超过 10%。由于晶体管不需要加热，因此它们在对其施加电压后立即开始工作。此外，它们的固有噪声水平非常低，因此组装在晶体管上的设备变得更加敏感。

点晶体管设计

渐渐地，新设备得到了改进。 1952年，第一个平面掺杂锗晶体管出现。它们的制造是一个复杂的技术过程。首先，将锗从杂质中提纯，然后形成单晶。（一块普通的锗由大量无序拼接的晶体组成；这样的材料结构不适合半导体器件——这里需要一个异常规则的晶格，整块都一样。）为此，锗被熔化，种子被放入其中 - 一种具有正确取向晶格的小晶体。绕轴旋转种子，慢慢升起。结果，种子周围的原子排列成规则的晶格。半导体材料固化并包裹种子。结果是单晶棒。

同时，将 p 或 n 型杂质添加到熔体中。然后将单晶切成小板，作为基底。发射器和收集器以各种方式创建。最简单的方法是在锗板的两面放置小块铟，然后快速加热到600度。在这个温度下，铟与下方的锗融合。冷却后，用铟饱和的区域获得p型导电性。然后将晶体放入外壳中并连接引线。

1955年，贝尔系统公司制造了扩散锗晶体管。扩散方法包括将半导体板放置在含有杂质蒸气的气体气氛中，这应该形成发射极和集电极，并将板加热到接近熔点的温度。在这种情况下，杂质原子逐渐渗透到半导体中。

作者：Ryzhov K.V.

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