電子管的興替
隨著科技的發(fā)展，人們對生產的機械在體積上向體積越來越小的方向發(fā)展，由于電子管的體積大，而且在移動過程中容易損壞，越來越多的表現(xiàn)出其的弊端，于是人們開始尋找和開發(fā)電子管的可替代產品．隨著后來的晶體管的出現(xiàn)，已越來越多的機械不再使用電子管．晶體管的出現(xiàn)是人類在電子方面一個大的飛躍．
早在30年代，人們已經嘗試著制造固體電子元件．但是，當時人們多數是直接用模仿制造真空三極管的方法來制造固體三極管．因此這些嘗試毫無例外都失敗了．
年6月的一天，在美國貝爾實驗室的一個房間里，一架樣式很普通的收音機正在播放著輕柔的音樂，許多參觀者在它面前駐足不前．為什么大家都對這臺收音機情有獨鐘呢？原來這是第一架不用電子管，而代之以一種新的固體
晶體管
元件——晶體管的收音機．雖然人們對這架收音機顯露出濃厚的興趣．然而，他們對晶體管本身卻不以為然．美國《紐約先驅論壇報》的記者在報道中寫道：“這一器件還在實驗室階段，工程師們都認為它在電子工業(yè)中的革新是有限的．”事實上，晶體管發(fā)明以后，在不長的時間內，它的深遠影響便很快地顯示出來．它在電子學領域完成了一場真正的革命．
什么是晶體管呢？通俗地說，晶體管是半導體做的固體電子元件．像金銀銅鐵等金屬，它們導電性能好，叫做導體．木材、玻璃、陶瓷、云母等不易導電，叫做絕緣體．導電性能介于導體和絕緣體之間的物質，就叫半導體．晶體管就是用半導體材料制成的．這類材料最常見的便是鍺和硅兩種．
半導體是19世紀末才發(fā)現(xiàn)的一種材料．當時人們并沒有發(fā)現(xiàn)半導體的價值，也就沒有注重半導體的研究．直到二次大戰(zhàn)中，由于雷達技術的發(fā)展，半導體器件——微波礦石檢波器的應用日趨成熟，在軍事上發(fā)揮了重要作用，這才引起了人們對半導體的興趣．許多科學家都投入到半導體的深入研究中．經過緊張的研究工作，美國物理學家肖克利、巴丁和布拉頓三人捷足先登，合作發(fā)明了晶體管——一種三個支點的半導體固體元件．晶體管被人們稱為“三條腿的魔術師”．它的發(fā)明是電子技術史中具有劃時代意義的偉大事件，它開創(chuàng)了一個嶄新的時代——固體電子技術時代．他們三人也因研究半導體及發(fā)現(xiàn)晶體管效應而共同獲得1956年最高科學獎——諾貝爾物理獎．
肖克利小組與晶體管美國人威廉·肖克利，1910年2月13日生于倫敦，曾在美國麻省理工學院學習量子物理，1936年得到該校博士學位后，進入久負盛名的貝爾實驗室工作．貝爾實驗室是電話發(fā)明人貝爾創(chuàng)立的．在電子、特別在通訊領域是最有名氣的研究所，號稱“研究王國”．早在1936年，當時的研究部主任，后來的貝爾實驗室總裁默文·凱利就對肖克利說過，為了適應通訊不斷增長的需要，將來一定會用電子交換取代電話系統(tǒng)的機械轉換．這段話給肖克利留下了不可磨滅的印象，激起他滿腔熱情，把畢生精力投入到推進電子技術進步的事業(yè)中．沃爾特·布拉頓也是美國人，1902年2月10日出生在中國南方美麗的城市廈門，當時他父親受聘在中國任教．布拉頓是實驗專家，1929年獲得明尼蘇達大學的博士學位后，進入貝爾研究所從事真空管研究工作．溫文儒雅的美國人巴丁是一個大學教授的兒子，1908年在美國威斯康星州的麥迪遜出生，相繼于1928年和1929年在威斯康星大學獲得兩個學位．后來又轉入普林斯頓大學攻讀固體物理，1936年獲得博士學位．1945年來到貝爾實驗室工作．默文·凱利是一位頗有遠見的科技管理人員．他從30年代起，就注意尋找和采用新材料及依據新原理工作的電子放大器件．在第二次世界大戰(zhàn)前后，敏銳的科研洞察力促使他果斷地決定加強半導體的基礎研究，以開拓電子技術的新領域．于是，1945年夏天，貝爾實驗室正式決定以固體物理為主要研究方向，并為此制定了一個龐大的研究計劃．發(fā)明晶體管就是這個計劃的一個重要組成部分．1946年1月，貝爾實驗室的固體物理研究小組正式成立了．這個小組以肖克利為首，下轄若干小組，其中之一包括布拉頓、巴丁在內的半導體小組．在這個小組中，活躍著理論物理學家、實驗專家、物理化學家、線路專家、冶金專家、工程師等多學科多方面的人才．他們通力合作，既善于汲取前人的有益經驗，又注意借鑒同時代人的研究成果，博采眾家之長．小組內部廣泛開展有益的學術探討．“有新想法，新問題，就召集全組討論，這是習慣”．在這樣良好的學術環(huán)境中，大家都充滿熱情，完全沉醉在理論物理領域的研究與探索中．
開始，布拉頓和巴丁在研究晶體管時，采用的是肖克利提出的場效應概念．場效應設想是人們提出的第一個固體放大器的具體方案．根據這一方案，他們仿照真空三極管的原理，試圖用外電場控制半導體內的電子運動．但是事與愿違，實驗屢屢失?。?
人們得到的效應比預期的要小得多．人們困惑了，為什么理論與實際總是矛盾的呢？
問題究竟出在那里呢？經過多少個不眠之夜的苦苦思索，巴丁又提出了一種新的理論——表面態(tài)理論．這一理論認為表面現(xiàn)象可以引起信號放大效應．表面態(tài)概念的引入，使人們對半導體的結構和性質的認識前進了一大步．布拉頓等人乘勝追擊，認真細致地進行了一系列實驗．結果，他們意外地發(fā)現(xiàn)，當把樣品和參考電極放在電解液里時，半導體表面內部的電荷層和電勢力發(fā)生了改變，這不正是肖克利曾經預言過的場效應嗎?這個發(fā)現(xiàn)使大家十分振奮．在極度興奮中，他們加快了研究步伐，利用場效應又反復進行了實驗．誰知，繼續(xù)實驗中突然發(fā)生了與以前截然不同的效應．這接踵而至的新情況大大出乎實驗者的預料．
人們的思路被打斷了，制作實用器件的原計劃不能不改變了，漸趨明朗的形勢又變得撲朔迷離了．然而肖克利小組并沒有知難而退．他們緊緊循著茫茫迷霧中的一絲光亮，改變思路，繼續(xù)探索．經過多次地分析、計算、實驗，1947年12月23日，人們終于得到了盼望已久的“寶貝”．這一天，巴丁和布拉頓把兩根觸絲放在鍺半導體晶片的表面上，當兩根觸絲十分靠近時，放大作用發(fā)生了．世界第一只固體放大器——晶體管也隨之誕生了．在這值得慶祝的時刻，布拉頓按捺住內心的激動，仍然一絲不茍地在實驗筆記中寫道：“電壓增益100，功率增益40，電流損失1/2.5……親眼目睹并親耳聽聞音頻的人有吉布尼、摩爾、巴丁、皮爾遜、肖克利、弗萊徹和包文．”在布拉頓的筆記上，皮爾遜、摩爾和肖克利等人分別簽上了日期和他們的名字表示認同．
巴丁和布拉頓實驗成功的這種晶體管，是金屬觸絲和半導體的某一點接觸，故稱點接觸晶體管．這種晶體管對電流、電壓都有放大作用．
晶體管發(fā)明之后基于嚴謹的科學態(tài)度，貝爾實驗室并沒有立即發(fā)表肖克利小組的研究成果．他們認為，還需要時間弄清晶體管的效應，以便編寫論文和申請專利．此后一段時間里，肖克利等人在極度緊張的狀態(tài)中忙碌地工作著．他們心中隱藏著一絲憂慮．如果別人也發(fā)明了晶體管并率先公布了，他們的心血就付之東流了．他們的擔心絕非多慮，當時許多科學家都在潛心于這一課題的研究．1948年初，在美國物理學會的一次會議上，柏杜大學的布雷和本澤報告了他們在鍺的點接觸方面所進行的實驗及其發(fā)現(xiàn)．當時貝爾實驗室發(fā)明晶體管的秘密尚未公開，它的發(fā)明人之一——布拉頓此刻就端坐在聽眾席上．布拉頓清楚地意識到布雷等人的實驗距離晶體管的發(fā)明就差一小步了．因此，會后布雷與布拉頓聊天時談到他們的實驗時，布拉頓立刻緊張起來．他不敢多開口，只讓對方講話，生怕泄密給對方，支吾幾句就匆匆忙忙地走開了．后來，布雷曾惋惜地說過：“如果把我的電極靠近本澤的電極，我們就會得到晶體管的作用，這是十分明白的．”由此可見，當時科學界的競爭是多么的激烈！實力雄厚的貝爾實驗室在這場智慧與技能的角逐中，也不過略勝一籌．
晶體管發(fā)明半年以后，在1948年6月30日，貝爾實驗室首次在紐約向公眾展示了晶體管．這個偉大的發(fā)明使許多專家不勝驚訝．然而，對于它的實用價值，人們大都表示懷疑．當年7月1日的《紐約時報》只以8個句子、201個文字的短訊形式報道了本該震驚世界的這條新聞．在公眾的心目中，晶體管不過是實驗室的珍品而已．估計只能做助聽器之類的小東西，不可能派上什么大用場．
的確，當時的點接觸晶體管同礦石檢波器一樣，利用觸須接點，很不穩(wěn)定，噪聲大，頻率低，放大功率小，性能還趕不上電子管，制作又很困難．難怪人們對它無動于衷．然而，物理學家肖克利等人卻堅信晶體管大有前途，它的巨大潛力還沒有被人們所認識．于是，在點接觸式晶體管發(fā)明以后，他們仍然不遺余力，繼續(xù)研究．又經過一個多月的反復思索，肖克利瘦了，眼中也布滿了血絲．一個念頭卻在心中越來越明晰了，那就是以往的研究之所以失敗，根本原因在于人們不顧一切地盲目模仿真空三極管．這實際上走入了研究的誤區(qū)．晶體管同電子管產生于完全不同的物理現(xiàn)象，這就暗示晶體管效應有其獨特之處．明白了這一點，肖克利當即決定暫時放棄原來追求的場效應晶體管，集中精力實現(xiàn)另一個設想——晶體管的放大作用．正確的思想終于開出了最美的花朵．1948年11月，肖克利構思出一種新型晶體管，其結構像“三明治”夾心面包那樣，把N型半導體夾在兩層P型半導體之間．這是一個多么富有想象力的設計啊！可惜的是，由于當時技術條件的限制，研究和實驗都十分困難．直到1950年，人們才成功地制造出第一個PN結型晶體管．
電子技術發(fā)展史上一座里程碑晶體管的出現(xiàn)，是電子技術之樹上綻開的一朵絢麗多彩的奇葩．同電子管相比，晶體管具有諸多優(yōu)越性：①晶體管的構件是沒有消耗的．無論多么優(yōu)良的電子管，都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化．由于技術上的原因，晶體管制作之初也存在同樣的問題．隨著材料制作上的進步以及多方面的改善，晶體管的壽命一般比電子管長100到1000倍，稱得起永久性器件的美名．②晶體管消耗電子極少，僅為電子管的十分之一或幾十分之一．它不像電子管那樣需要加熱燈絲以產生自由電子．一臺晶體管收音機只要幾節(jié)干電池就可以半年一年地聽下去，這對電子管收音機來說，是難以做到的．③晶體管不需預熱，一開機就工作．例如，晶體管收音機一開就響，晶體管電視機一開就很快出現(xiàn)畫面．電子管設備就做不到這一點．開機后，非得等一會兒才聽得到聲音，看得到畫面．顯然，在軍事、測量、記錄等方面，晶體管是非常有優(yōu)勢的．④晶體管結實可靠，比電子管可靠100倍，耐沖擊、耐振動，這都是電子管所無法比擬的．另外，晶體管的體積只有電子管的十分之一到百分之一，放熱很少，可用于設計小型、復雜、可靠的電路．晶體管的制造工藝雖然精密，但工序簡便，有利于提高元器件的安裝密度．正因為晶體管的性能如此優(yōu)越，晶體管誕生之后，便被廣泛地應用于工農業(yè)生產、國防建設以及人們日常生活中．1953年，首批電池式的晶體管收音機一投放市場，就受到人們的熱烈歡迎，人們爭相購買這種收音機．接著，各廠家之間又展開了制造短波晶體管的競賽．此后不久，不需要交流電源的袖珍“晶體管收音機”開始在世界各地出售，又引起了一個新的消費熱潮．
極鰭式場效晶體管:摩爾定律
由于硅晶體管適合高溫工作，可以抵抗大氣影響，在電子工業(yè)領域是最受歡迎的產品之一．從1967年以來，電子測量裝置或者電視攝像機如果不是“晶體管化”的，那么就別想賣出去一件．輕便收發(fā)機，甚至車載的大型發(fā)射機也都晶體管化了．
另外，晶體管還特別適合用作開關．它也是第二代計算機的基本元件．人們還常常用硅晶體管制造紅外探測器．就連可將太陽能轉變?yōu)殡娔艿碾姵亍柲茈姵匾捕寄苡镁w管制造．這種電池是遨游于太空的人造衛(wèi)星的必不可少的電源．晶體管這種小型簡便的半導體元件還為縫紉機、電鉆和熒光燈開拓了電子控制的途徑．從1950年至1960年的十年間，世界主要工業(yè)國家投入了巨額資金，用于研究、開發(fā)與生產晶體管和半導體器件．例如，純凈的鍺或硅半導體，導電性能很差，但加入少量其它元素(稱為雜質)后，導電性能會提高許多．但是要想把定量雜質正確地熔入鍺或硅中，必須在一定的溫度下，通過加熱等方法才能實現(xiàn)．而一旦溫度高于攝氏75度，晶體管就開始失效．為了攻克這一技術難關，美國政府在工業(yè)界投資數百萬美元，以開展這項新技術的研制工作．在這樣雄厚的財政資助下，沒過多久，人們便掌握了這種高熔點材料的提純、熔煉和擴散的技術．特別是晶體管在軍事計劃和宇宙航行中的威力日益顯露出來以后，為爭奪電子領域的優(yōu)勢地位，世界各國展開了激烈的競爭．為實現(xiàn)電子設備的小型化，人們不惜成本，紛紛給電子工業(yè)以巨大的財政資助．
自從1904年弗萊明發(fā)明真空二極管，1906年德福雷斯特發(fā)明真空三極管以來，電子學作為一門新興學科迅速發(fā)展起來．但是電子學真正突飛猛進的進步，還應該是從晶體管發(fā)明以后開始的．尤其是PN結型晶體管的出現(xiàn)，開辟了電子器件的新紀元，引起了一場電子技術的革命．在短短十余年的時間里，新興的晶體管工業(yè)以不可戰(zhàn)勝的雄心和年輕人那樣無所顧忌的氣勢，迅速取代了電子管工業(yè)通過多年奮斗才取得的地位，一躍成為電子技術領域的排頭兵．現(xiàn)代電子技術的基礎誠然，電子管的發(fā)明使電子設備發(fā)生了革命性變化．但是電子管體大易碎，費電又不可靠．因此，晶體管的問世被譽為本世紀最偉大的發(fā)明之一，它解決了電子管存在的大部分問題．可是單個晶體管的出現(xiàn)，仍然不能滿足電子技術飛速發(fā)展的需要．隨著電子技術應用的不斷推廣和電子產品發(fā)展的日趨復雜，電子設備中應用的電子器件越來越多．比如二次世界大戰(zhàn)末出現(xiàn)的B29轟炸機上裝有1千個電子管和1萬多個無線電元件．電子計算機就更不用說了．1960年上市的通用型號計算機有10萬個二極管和2.5萬個晶體管．一個晶體管只能取代一個電子管，極為復雜的電子設備中就可能要用上百萬個晶體管．一個晶體管有3條腿，復雜一些的設備就可能有數百萬個焊接點，稍一不慎，就極有可能出現(xiàn)故障．為確保設備的可靠性，縮小其重量和體積，人們迫切需要在電子技術領域來一次新的突破．1957年蘇聯(lián)成功地發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星．這一震驚世界的消息引起了美國朝野的極大震動，它嚴重挫傷了美國人的自尊心和優(yōu)越感，發(fā)達的空間技術是建立在先進的電子技術基礎上的．為奪得空間科技的領先地位，美國政府于1958年成立了國家航空和宇航局，負責軍事和宇航研究，為實現(xiàn)電子設備的小型化和輕量化，投入了天文數字的經費．就是在這種激烈的軍備競賽的刺激下，在已有的晶體管技術的基礎上，一種新興技術誕生了，那就是今天大放異彩的集成電路．有了集成電路，計算機、電視機等與人類社會生活密切相關的設備不僅體積小了，功能也越來越齊全了，給現(xiàn)代人的工作、學習和娛樂帶來了極大便利．那么，什么是集成電路呢？集成電路是在一塊幾平方毫米的極其微小的半導體晶片上，將成千上萬的晶體管、電阻、電容、包括連接線做在一起．真正是立錐之地布千軍．它是材料、元件、晶體管三位一體的有機結合．
集成電路的問世是離不開晶體管技術的，沒有晶體管就不會有集成電路．本質上，集成電路是最先進的晶體管——外延平面晶體制造工藝的延續(xù)．集成電路設想的提出，同晶體管密切相關．1952年，英國皇家雷達研究所的一位著名科學家達默，在一次會議上曾指出：“隨著晶體管的出現(xiàn)和對半導體的全面研究，現(xiàn)在似乎可以想象，未來電子設備是一種沒有連接線的固體組件．”雖然達默的設想并未付諸實施，但是他為人們的深入研究指明了方向．
后來，一個叫基爾比的美國人步達默的后塵，走上了研究固體組件這條崎嶇的小路．基爾比畢業(yè)于伊利諾斯大學電機工程系．1952年一個偶然機會，基爾比參加了貝爾實驗室的晶體管講座．富于創(chuàng)造性的基爾比一下子就被晶體管這個小東西迷住了．
當時，他在一家公司負責一項助聽器研究計劃．心系晶體管的基爾比不由自主地想把晶體管用在助聽器上，他果然獲得了成功．他研究出一種簡便的方法，將晶體管直接安裝在塑料片上，并用陶瓷密封．初步的成功使他對晶體管的興趣與日俱增．為尋求更大的發(fā)展，基爾比于1958年5月進入得克薩斯儀器公司．當時，公司正參與美國通信部隊的一項微型組件計劃．基爾比非常希望能在這一計劃中一顯身手．強烈的自尊促使他決心憑自己的智慧和努力進入這一計劃．于是，他常常一個人埋頭在工廠，思考采用半導體制造整個電路的途徑．記不清多少次苦苦思索，多少回實驗，多少次挫折，經過長時間的孤軍奮戰(zhàn)，到1959年，一塊集成電路板終于在基爾比的手中誕生了．
同年3月，這一產品被拿到無線電工程師協(xié)會上展出．得克薩斯公司當時的副總裁謝潑德自豪地宣布，這是“硅晶體管后得克薩斯儀器公司最重要的開發(fā)成果”．在晶體管技術基礎上迅速發(fā)展起來的集成電路，帶來了微電子技術的突飛猛進．
微電子技術的不斷進步，極大降低了晶體管的成本，在1960年，生產1只晶體管要花10美元，而今天，1只嵌入集成電路里的晶體管的成本還不到1美分．這使晶體管的應用更為廣泛了．
不僅如此，微電子技術通過微型化、自動化、計算機化和機器人化，將從根本上改變人類的生活．它正在沖擊著人類生活的許多方面：勞動生產、家庭、政治、科學、戰(zhàn)爭與和平．
晶閘管T在工作過程中，它的陽極A和陰極K與電源和負載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。
晶閘管的工作條件：
1. 晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受和種電壓，晶閘管都處于關短狀態(tài)。
2. 晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。
3. 晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。
4. 晶閘管在導通情況下，當主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關斷。
從晶閘管的內部分析工作過程：
晶閘管是四層三端器件，它有J1、J2、J3三個PN結圖1，可以把它中間的NP分成兩部分，構成一個PNP型三極管和一個NPN型三極管的復合管圖2
當晶閘管承受正向陽極電壓時，為使晶閘管導銅，必須使承受反向電壓的PN結J2失去阻擋作用。圖2中每個晶體管的集電極電流同時就是另一個晶體管的基極電流。因此，兩個互相復合的晶體管電路，當有足夠的門機電流Ig流入時，就會形成強烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導通，晶體管飽和導通。
設PNP管和NPN管的集電極電流相應為Ic1和Ic2；發(fā)射極電流相應為Ia和Ik；電流放大系數相應為a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，設流過J2結的反相漏電電流為Ic0,
晶閘管的陽極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和：
Ia=Ic1 Ic2 Ic0 或Ia=a1Ia a2Ik Ic0
若門極電流為Ig,則晶閘管陰極電流為Ik=Ia Ig
從而可以得出晶閘管陽極電流為：I=(Ic0 Iga2)/（1-（a1 a2））（1—1）式
硅PNP管和硅NPN管相應的電流放大系數a1和a2隨其發(fā)射極電流的改變而急劇變化如圖3所示。
當晶閘管承受正向陽極電壓，而門極未受電壓的情況下，式（1—1）中，Ig=0,(a1 a2)很小，故晶閘管的陽極電流Ia≈Ic0 晶閘關處于正向阻斷狀態(tài)。當晶閘管在正向陽極電壓下，從門極G流入電流Ig,由于足夠大的Ig流經NPN管的發(fā)射結，從而提高起點流放大系數a2,產生足夠大的極電極電流Ic2流過PNP管的發(fā)射結，并提高了PNP管的電流放大系數a1,產生更大的極電極電流Ic1流經NPN管的發(fā)射結。這樣強烈的正反饋過程迅速進行。從圖3，當a1和a2隨發(fā)射極電流增加而（a1 a2）≈1時，式（1—1）中的分母1-（a1 a2）≈0,因此提高了晶閘管的陽極電流Ia.這時，流過晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定。晶閘管已處于正向導通狀態(tài)。
式（1—1）中，在晶閘管導通后，1-（a1 a2）≈0,即使此時門極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續(xù)導通。晶閘管在導通后，門極已失去作用。