晶體管的誕生及應(yīng)用介紹

自1947 年首次出現(xiàn)在貝爾實驗室到今天，晶體管給電子行業(yè)帶來的變革可能比任何其他組件都要大。晶體管在現(xiàn)代技術(shù)的創(chuàng)新中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。雖然晶體管主要用于模擬電路中的放大和數(shù)字電路中的開關(guān)，但密集的研究和開發(fā)繼續(xù)為基于晶體管的新應(yīng)用打開大門。

由于超大規(guī)模集成 (VLSI) 技術(shù)，數(shù)十億個晶體管可以放置在單個芯片上，用于計算應(yīng)用。例如，Apple的M1 Ultra SoC由 1140 億個晶體管組成——這是芯片上晶體管數(shù)量最多的一次。

早在 20 世紀(jì)初，工程師們就使用晶體管來放大電信號。這個用例的第一個實例來自英國電氣工程師John Ambrose Fleming，當(dāng)時他發(fā)明了真空管。然而，真空管面臨許多只有現(xiàn)代晶體管的發(fā)明才能解決的缺點。

點接觸晶體管：一顆星星誕生了

第一個公認(rèn)的晶體管是由貝爾實驗室的研究人員 Walter Brattain 和 John Bardeen 于 1947 年開發(fā)的。經(jīng)過多次嘗試用硅制造放大器后，Bardeen 和 Brattain 決定使用一塊鍺板和兩個金箔來制造點接觸晶體管。當(dāng)金箔靠近鍺表面時，他們觀察到更多的電子空穴。貝爾研究人員還注意到，通過觸點的電流在金箔的另一個觸點處被進(jìn)一步提升和放大。

這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著電子行業(yè)以晶體管為主導(dǎo)的新時代的曙光。1952 年，點接觸晶體管在商業(yè)用途中廣泛使用，并有助于制造電話系統(tǒng)。

從鍺到硅

為了改進(jìn) Bardeen 和 Brattain 的晶體管設(shè)計，William Shockley 于 1951 年用鍺制造了結(jié)型晶體管。Shockley 的結(jié)型晶體管只是三層半導(dǎo)體的三明治。外層比中間層包含更多的電子。肖克利解釋說，這種設(shè)計允許電流流過夾在中間的半導(dǎo)體以制造放大器。

雖然點接觸和結(jié)型晶體管依賴于鍺，但研究人員很快注意到該組件在 180°F 時發(fā)生故障。這是因為當(dāng)鍺被加熱到非常高的溫度時，它會在晶體管中引入過多的自由電子，從而破壞整個組件。

1951 年貝爾實驗室的商用結(jié)型晶體管。

圖片由 Jack Ward、晶體管博物館和計算機(jī)歷史提供

這一缺陷促使德州儀器 (TI) 的研究員 Gordon Teal 在 1954 年發(fā)明了第一個硅晶體管。Teal 的硅晶體管具有與鍺晶體管相同的工作原理，但它可以承受高溫。硅晶體管是npn結(jié)構(gòu)，通過生長結(jié)工藝制造。

MOSFET成就現(xiàn)代

硅晶體管的發(fā)展導(dǎo)致更多基于硅的晶體管的發(fā)明，例如金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(MOSFET)。第一個 MOSFET由貝爾實驗室研究員 John Atalla 于 1960 年制造。該設(shè)計基于 Shockley 的場效應(yīng)理論。

與三明治結(jié)型晶體管不同，MOSFET 具有 n 型或 p 型半導(dǎo)體的溝道。當(dāng)電壓施加到通道上時，會產(chǎn)生一個電場，它就像一個水龍頭來打開和關(guān)閉晶體管中的電流。為了實現(xiàn)高開關(guān)速度，制造商通常在制造過程中采用外延分解工藝。該過程還在晶體管中產(chǎn)生高擊穿電壓。

下一代納米晶體管

根據(jù)摩爾定律，集成電路 (IC) 中每單位面積的晶體管數(shù)量每兩年翻一番。這種對小型化的推動為從微電子到納米電子的下一代晶體管帶來了復(fù)雜性。今天，研究人員的目標(biāo)是將晶體管縮小到納米級。

隨著基于硅的晶體管現(xiàn)在以納米尺寸運行，工程師面臨著與物理空間縮小相關(guān)的設(shè)計和制造挑戰(zhàn)。例如，一個 100nm 尺寸的 MOSFET 可能會遇到短溝道效應(yīng)，從而對晶體管的性能產(chǎn)生不利影響。更重要的是，納米尺寸的硅晶體管會經(jīng)歷高溝道泄漏電流。

2016 年，勞倫斯伯克利國家實驗室的一個團(tuán)隊聲稱創(chuàng)造了世界上最小的晶體管，尺寸為 1nm。

為了解決這些限制，研究人員現(xiàn)在正在研究制造晶體管的納米技術(shù)材料。最近，研究人員探索了二維超薄單層材料，例如二硫化鉬，以制造比微型硅晶體管更可靠的晶體管。碳納米管和石墨烯也是有希望替代晶體管中硅的材料。

此外，德累斯頓工業(yè)大學(xué)的一組研究人員最近報道了“世界上第一個”高效有機(jī)雙極結(jié)晶體管。該團(tuán)隊使用基于 n 型和 p 型摻雜紅熒烯晶體薄膜的高度有序的薄有機(jī)層來開發(fā)有機(jī)雙極晶體管。這些晶體管可以提高數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)男阅堋?/p>

編輯：黃飛