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鎢與晶體管的不解之緣

發布日期:2020-07-25 17:04:16瀏覽次數: 0

 晶體管被認為是20世紀在電子技術方面最偉大的發明,掀起了一場微電子工業革命,奠定了現代文明社會的基礎。而自它問世之日,便于鎢結下了不解之緣。

    鎢與晶體管的不解之緣

    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。直到1945年貝爾實驗室成立了以肖克萊(W. B. Shockley)為組長,實驗物理學家布拉頓(W. H. Brattain)和皮爾遜(G. L. Pearson)、物理化學家吉布尼(R. Gibney)和電路專家H.穆爾(H. Moore)、以及理論物理學家J.巴?。↗. Bardeen)等人的半導體研究小組。

    研究小組成立后不久,成員便將研究重點由場效應放大器的研制轉向了半導體基礎理論問題——表面態的研究。表面態問題,是推進“場效應放大器”實驗的基礎。經歷了一年多的反復試驗,1947年9月,研究小組終于確認表面態效應確實存在。進一步研究后發現,在電極板與硅晶體表面之間注入諸如水之類的含有正負離子的液體,加電壓后會使表面態效應獲得增強或減弱。

   晶體管的發明者:肖克萊、巴丁,布拉頓

    1947年11月21日,巴丁向布拉頓提出了著手進行半導體放大器研制實驗的建議,二人當天便進行了實驗,并在輸出回路中觀測到了微弱的放大電流信號。但他們的放大裝置幾乎沒有電壓增益并且只能在不超過10赫的超低頻范圍內工作,而實用放大器必須能夠放大數千赫的輸入信號。

    1947年12月11日,吉布尼提供了一個表面生成了氧化層(旨在替代電解質)的N型鍺片,在氧化層上面沉積了5個小金粒。布拉頓在金粒上面打了一個小洞,用鎢絲穿過小洞和氧化層插入鍺晶體作為一個電極,希望通過改變金粒塊和鍺晶體之間的電壓以改變鎢絲電極與鍺晶體之間的導電率。結果發現金粒與鍺晶體之間的電阻很小,即氧化層并沒有起到絕緣作用。

    盡管如此,布拉頓還是決定做幾組實驗試一試。在一次實驗中,布拉頓非常偶然地在鎢絲上加了負電壓,在金粒上加了正電壓,沒有料到在輸出端出現了和輸入端變化相反的信號。初步測試的結果是:電壓放大倍數為2,上限頻率可達10千赫。這意味著無需在鍺晶體表面特意制作一層氧化膜,簡單地讓金粒和鍺晶體表面直接接觸就可獲得良好的響應頻率。

    巴丁敏銳地意識到金粒與鍺晶體的接觸界面上已經出現了一種新的,與加電解質完全不同的物理現象。據此他重新設計了一組實驗,實驗的關鍵是盡可能地使鍺晶體表面上的鎢絲觸點與金屬電極靠得近一點。巴丁推算后指出,兩者之間的距離應達到50微米的數量級。布拉頓和技師很快地制作出了一套符合巴丁要求的實驗裝置,并于12月16日下午,與巴丁一起進行了改進后的首次實驗。在這次實驗中,他們獲得了1.3倍的輸出功率增益和15倍的輸出電壓增益。因此,有學者主張應該將這一天確定為晶體管的發明日。鎢與晶體管也結下了這段不解之緣。

   全球第一個點接觸型晶體管裝置

    一周后的12月23日,肖克萊領導的半導體研究小組使用含有新發明的固體放大器的實驗裝置為貝爾的主管領導演示了音頻放大實驗。這是一次沒有使用電子管的音頻放大實驗。實驗一如人們所期待的那樣獲得了成功。后來,研究小組將這種固體放大器命名為“transistor”,中文譯作“晶體管”。由于這種晶體管主要由兩根金屬絲與半導體進行點接觸而構成,故被稱作為雙極點接觸晶體管。

    1948年6月17日,貝爾電話實驗室的專利代理人完成了點接觸型晶體管的專利申報手續。6月23日,貝爾又向美國軍方代表展示了其所發明的晶體管演示裝置,并最終獲準對外公開。與此同時,肖克萊和皮爾遜,巴丁和布拉頓分別為《物理評論》雜志合作撰寫了一組介紹晶體管及其工作原理的短文。各項準備工作做好之后,貝爾6月30日在總部大樓內召開了記者招待會,公開了全球第一個晶體管問世的消息。

    自此,由巴丁和布萊頓在 1947 年點燃的晶體管星星之火,已經開始形成燎原之勢。目前,因特殊層狀結構而具有電學、光學、等離子體、電化學和電催化等優異性能的二硫化鎢、二硒化鎢等過渡金屬二維材料,已成為下一代計算機晶體管研究的新寵。

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