晶体管的历史
现代计算机通过执行几十年前几乎不可能实现的任务 ， 正在不断改变我们的生活 。各种各样的创新使现代计算机（如我们今天所知）得以实现 。但是 ， 有一项基本发明几乎是所有其他事物所依赖的 ， 那就是不起眼的晶体管 。让我们看看这个不起眼的设备是如何变成的 。
对晶体管的需求
从本质上讲 ， 所有计算机基本上都是执行数学运算的机器 。最早的是手动计数设备 ， 例如算盘 ， 而将来开发的设备是使用机械零件 。使这些设备成为“计算机”的原因是拥有一种成功代表数字的方法和一种操纵数字的系统 。电子计算机以相同的方式工作 ， 但是数字代替物理布置 ， 而是用电压表示 。布尔逻辑只有两个可能的值– true（1）和false（0） ， 在电子计算机中开始发挥作用 。在电子计算机中 ， 方程是通过产生1或0输出的逻辑门电路执行的 。对于更高级的操作 ， 这些电路被融合在一起 。计算机程序由一组指令组成 ， 详细说明了如何执行这些操作 。
但是 ， 该系统需要可靠且准确的方法来控制电流 。早期的电子计算机 ， 例如1946年开发的ENIAC（电子数值积分器和计算器） ， 使用一种称为真空管的设备来控制电压 。在这种计算机中使用的真空管笨重且不可靠 。它们还消耗了荒谬的功率并产生了过多的热量 ， 从而缩短了这些灯管的使用寿命 。另一方面 ， 该晶体管要比真空管小得多 ， 并且所用的功率要少得多 。另外 ， 由于晶体管使用较少的功率 ， 所以产生的热量最小 。因此 ， 它不会像真空管那样经常失败 。该晶体管使用半导体代替真空管中使用的电极 。用不同的元素（例如磷和硼）处理半导体（例如硅） ， 以生成发射电子的“ N型”和吸收电子的“ P型” 。它们被安排为NPN（典型的NPN晶体管） ， 并在发射极 ， 基极和集电极各放置一个端子 。在这种晶体管中 ， 输入电压的微小变化可用于在高电压和低电压之间快速切换 。
晶体管使现代计算机得以发展 。ENIAC是一台重达30吨的大型计算机 ， 有网球场那么大！相比之下 ， 单个具有指甲大小的微处理器（包含数十亿个晶体管）现在可以超越ENIAC的功能 。底座和收集器 。在这种晶体管中 ， 输入电压的微小变化可用于在高电压和低电压之间快速切换 。晶体管使现代计算机得以发展 。ENIAC是一台重达30吨的大型计算机 ， 只有网球场那么大！相比之下 ， 单个具有指甲大小的微处理器（包含数十亿个晶体管）现在可以超越ENIAC的功能 。
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寻求替代解决方案的动力
在1920年代 ， 研究人员开始研究使用半导体来放大和切换电话设备中的信号 。在1930年代 ， 贝尔实验室的美国物理学家和工程师Marvin Kelly决定寻求制造某种形式的固态设备 。他决定挑战William Shockley ， Jack Scaff ， Russell Ohl等许多同事 ， 研究替代真空管的半导体技术 。他知道真空管太不可靠了 ， 无法成为无缝电子产品的最终解决方案 。Russel Ohl开始研究硅晶体 ， 以及如果获得N型或P型硅 ， 硅晶体的制备会如何影响 。整流发生的方向定义了硅的类型 。Ohl还能够开发出一个样品 ， 其中顶部为p型区域 ， 而底部为n型区域 。他发现当光照射到它上时 ， 它会产生电压 。
第二次世界大战后的1945年 ， Shockley开始试验改良的半导体材料 ， 这些材料是为战争中使用的雷达探测器开发的 。他研究了一种场效应放大器 ， 该放大器类似于奥匈帝国物理学家Julius E. Lilienfeld于1926年以及德国物理学家Oskar Heil博士于1934年申请的专利 。但是 ， 当物理学家John Bardeen提出存在于半导体表面的电子可能阻碍电场向材料中的渗透时 ， 这一突破就来了 。在William Shockley的支持和另一位物理学家Walter Brattain帮助下 ， John Bardeen开始研究这些“表面状态”的行为 。到1947年11月下旬 ， Bardeen和Brattain设法制造出一种可工作的晶体管 ， 直到1947年12月16日 ， 他们一直在不断改进这种晶体管 。在这一天 ， 他们的研究最终达到了用硅制成的工作“点接触”晶体管的顶峰 。坐在锗晶体上的两个金箔触点 。它也被称为“ PNP点接触锗晶体管” 。他们于12月23日进行了巡回演示 ， 向贝尔实验室展示了该固态设备的工作原理 。Bardeen和Brattain还花了一些时间为其发明申请专利 ， 并批准将其公开发布给军队 。1948年6月 ， 贝尔实验室正式宣布了革命性的固态设备 ， 他们称之为“晶体管” 。
然而 ， Shockley继续构建由Bardeen和Brattain创建的第一个工作晶体管的更可靠和可复制的版本 。他很成功 ， 并于1952年推出了他的双极结型晶体管 。它是由没有触点的固态半导体材料制成的 。本发明优于点接触型 ， 并在接下来的30年中主导了整个行业 。他申请了晶体管效应和晶体管放大器的专利 。1956年 ， 贝尔实验室的所有三位物理学家 ， William Shockley, Walter Brattain 和 John Bardeen 因其贡献而被授予诺贝尔物理学奖 。
改进和商业采用
1952年 ， 结型晶体管首次用于商业产品 ， 即Sonotone助听器 。此后 ， 在1954年 ， 制造了第一台晶体管收音机Regency TR1 。不断开发不同的制造方法以生产更快 ， 更便宜和更可靠的晶体管 。另一个重要的进步是1954年制造的硅晶体管 ， 首先是贝尔实验室的Morris Tanenbaum制造的 ， 此后不久 ， 由化学家Willis Adcock领导的德州仪器（TI）的一个团队制造了这种晶体管 。到50年代末 ， 硅已成为制造晶体管的行业首选材料 ， 德州仪器（TI）成为主要的半导体供应商 。位于加利福尼亚州硅谷的一家初创公司创建了Fairchild公司 。1958年 ， 他们推出了双扩散硅台面晶体管 ， 并在商业上取得了巨大成功 。此后不久 ， 瑞士物理学家Jean Hoerni创造了革命性的平面工艺 ， 将晶体管的制造过程从半手工操作转变为大批量的自动化生产过程 。这也为现代IC（集成电路）的开发铺平了道路 。
1959年 ， Lilienfeld和Heil的想法激发了韩国电气工程师Dawon Kahng的兴趣 ， 他建造了第一个成功的场效应晶体管（FET） ， 该晶体管由金属 ， 氧化物和硅层组成 。通常被简化为MOS的MOSFET（金属 ， 氧化物 ， 硅场效应晶体管）有望成为更小 ， 更便宜且功耗更低的晶体管 。Fairchild和RCA等公司于1964年向公众推出了商用MOS晶体管 。然而 ， 仅仅十年后 ， 它们就被计算机中的IC所取代 。但是 ， 在构建高密度IC时 ， MOS晶体管被证明是最实用的方法 。现在 ， 每天制造的数十亿个晶体管是MOS器件 。
责任编辑：xj
原文标题：科普 | 晶体管的起源
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