晶體管是什么

　　晶體管泛指一切以半導體材料為基礎的單一元件，晶體管具有檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調制等多種功能，晶體管可用于各種各樣的數字和模擬功能。

　　1947年12月16日,威廉·肖克利（William Shockley）、約翰·巴頓（John Bardeen）和沃特·布拉頓（Walter Brattain）成功地在貝爾實驗室制造出第一個晶體管。

　　晶體管是現代電器的最關鍵的元件之一。晶體管之所以能夠大規模使用是因為它能以極低的單位成本被大規模生產。

　　1947年12月，美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組，研制出一種點接觸型的鍺晶體管。晶體管的問世，是20世紀的一項重大發明，是微電子革命的先聲。晶體管出現后，人們就能用一個小巧的、消耗功率低的電子器件，來代替體積大、功率消耗大的電子管了。晶體管的發明又為后來集成電路的誕生吹響了號角。20世紀最初的10年，通信系統已開始應用半導體材料。20世紀上半葉，在無線電愛好者中廣泛流行的礦石收音機，就采用礦石這種半導體材料進行檢波。半導體的電學特性也在電話系統中得到了應用。

　　晶體管的發明，最早可以追溯到1929年，當時工程師利蓮費爾德就已經取得一種晶體管的專利。但是，限于當時的技術水平，制造這種器件的材料達不到足夠的純度，而使這種晶體管無法制造出來。

　　由于電子管處理高頻信號的效果不理想，人們就設法改進礦石收音機中所用的礦石觸須式檢波器。在這種檢波器里，有一根與礦石（半導體）表面相接觸的金屬絲（像頭發一樣細且能形成檢波接點），它既能讓信號電流沿一個方向流動，又能阻止信號電流朝相反方向流動。在第二次世界大戰爆發前夕，貝爾實驗室在尋找比早期使用的方鉛礦晶體性能更好的檢波材料時，發現摻有某種極微量雜質的鍺晶體的性能不僅優于礦石晶體，而且在某些方面比電子管整流器還要好。

　　在第二次世界大戰期間，不少實驗室在有關硅和鍺材料的制造和理論研究方面，也取得了不少成績，這就為晶體管的發明奠定了基礎。

　　為了克服電子管的局限性，第二次世界大戰結束后，貝爾實驗室加緊了對固體電子器件的基礎研究。肖克萊等人決定集中研究硅、鍺等半導體材料，探討用半導體材料制作放大器件的可能性。

　　1945年秋天，貝爾實驗室成立了以肖克萊為首的半導體研究小組，成員有布拉頓、巴丁等人。布拉頓早在1929年就開始在這個實驗室工作，長期從事半導體的研究，積累了豐富的經驗。他們經過一系列的實驗和觀察，逐步認識到半導體中電流放大效應產生的原因。布拉頓發現，在鍺片的底面接上電極，在另一面插上細針并通上電流，然后讓另一根細針盡量靠近它，并通上微弱的電流，這樣就會使原來的電流產生很大的變化。微弱電流少量的變化，會對另外的電流產生很大的影響，這就是“放大”作用。

　　布拉頓等人，還想出有效的辦法，來實現這種放大效應。他們在發射極和基極之間輸入一個弱信號，在集電極和基極之間的輸出端，就放大為一個強信號了。在現代電子產品中，上述晶體三極管的放大效應得到廣泛的應用。

　　巴丁和布拉頓最初制成的固體器件的放大倍數為50左右。不久之后，他們利用兩個靠得很近(相距0.05毫米)的觸須接點，來代替金箔接點，制造了“點接觸型晶體管”。1947年12月，這個世界上最早的實用半導體器件終于問世了，在首次試驗時，它能把音頻信號放大100倍，它的外形比火柴棍短，但要粗一些。

　　在為這種器件命名時，布拉頓想到它的電阻變換特性，即它是靠一種從“低電阻輸入”到“高電阻輸出”的轉移電流來工作的，于是取名為trans-resistor(轉換電阻)，后來縮寫為transistor，中文譯名就是晶體管。

　　由于點接觸型晶體管制造工藝復雜，致使許多產品出現故障，它還存在噪聲大、在功率大時難于控制、適用范圍窄等缺點。為了克服這些缺點，肖克萊提出了用一種“整流結”來代替金屬半導體接點的大膽設想。半導體研究小組又提出了這種半導體器件的工作原理。

　　1950年，第一只“PN結型晶體管”問世了，它的性能與肖克萊原來設想的完全一致(所謂PN結就是P型和N型的結合處。P型多空穴。N型多電子。)

　　1956年，肖克利、巴丁、布拉頓三人，因發明晶體管同時榮獲諾貝爾物理學獎。

　　2022年，清華大學集成電路學院教授任天令團隊以單層石墨烯作為柵極，打造出一種“側壁”晶體管，創下了0.34nm柵極長度的紀錄。此項研究登上了最新一期Nature，題為“具有亞1納米柵極長度的垂直硫化鉬晶體管”（Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths）。