晶体管的工作原理

由:内森钱德勒

由约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利组成的贝尔实验室团队因其在晶体管开发方面的工作获得了1956年的诺贝尔物理学奖。查看更多电子零件图片。
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赫尔顿存档/盖蒂图片社

如果说细胞是生命的基石,那么晶体管就是数字革命的基石。没有晶体管,你每天使用的技术奇迹——欧宝app靠谱吗手机电脑如果它们真的存在的话,情况将会大不相同。

在晶体管出现之前,产品工程师使用真空管和机电开关来完成电气工作电路.试管远非理想。它们在工作前必须预热(有时会过热),它们既不可靠又笨重,而且消耗太多能量。从电视到电话系统,再到早期的计算机,所有的东西都使用了这些元件,但在第二次世界大战之后的几年里,科学家们一直在寻找真空管的替代品。他们很快就会从几十年前的研究中找到答案。

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20世纪20年代末,波兰裔美国物理学家朱利叶斯·利连菲尔德为一种由硫化铜制成的三电极装置申请了专利。没有证据表明他真的创造了这种元件,但他的研究帮助开发了今天的场效应晶体管,这是硅芯片的基石。

在Lilienfeld申请专利20年后,科学家们正试图将他的想法付诸实践。特别是贝尔电话系统,需要比真空管更好的东西来保持它的通信系统工作。该公司组建了一支全明星的科学团队,包括约翰·巴丁(John Bardeen)、沃尔特·布拉顿(Walter braden)和威廉·肖克利(William Shockley),让他们研究真空管替代品。欧宝平台代理

1947年,肖克利是贝尔电话实验室晶体管研究主任。布拉登是固体物理学方面的权威,也是固体原子结构性质方面的专家,巴丁是电气工程师和物理学家。在一年之内,巴丁和布里顿用锗元素创造了一个放大电路,也被称为点接触晶体管。欧宝平台代理不久之后,肖克利通过开发结型晶体管改进了他们的想法。

明年,贝尔实验室宣布了它已经发明了工作晶体管的世界。第一晶体管的原始专利名称通过本说明:半导体放大器;三电极电路元件利用半导电材料。这是一个无害的声音。但是,本发明将贝尔团队扣除了1956年诺贝尔物理奖,并允许科学家和产品工程师对电力流动进行了更大的控制。欧宝平台代理

毫不夸张地说,晶体管使人类在技术上实现了一些最大的飞跃。欧宝app靠谱吗请继续阅读,看看晶体管是如何工作的,它们如何改变了技术进程,以及在这个过程中,人类的历史。欧宝app靠谱吗欧宝平台代理

晶体管到底是什么?欧宝平台代理

晶体管使得设计具有真空管不可能的大量技术壮举。欧宝app靠谱吗
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EyesWideOpen /盖蒂图片社

晶体管是控制电子运动的装置,因此电力。欧宝平台代理他们的工作像水龙头一样 - 不仅他们开始并停止流动的流动,而且还可以控制当前的流量。和在美国,晶体管可以切换或放大电子信号,让你精确地控制流经电路板的电流。

在贝尔实验室制造的晶体管最初由元件制成.那里的科学家知道纯锗是很好的绝缘体。但是添加杂质(这个过程叫做兴奋剂)将锗变成弱导体,或半导体半导体是一种介于绝缘体和导体之间的材料,可以在不同程度上导电。欧宝平台代理

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晶体管发明的时机并非偶然。为了正常工作,晶体管需要纯半导体材料。就在第二次世界大战后,锗提纯技术的进步以及掺杂技术的进步,使得锗适合用于半导体领域。欧宝平台代理

根据掺杂元素的不同,得到的锗层要么是负型(n型),要么是正型(p型)。在一个n型层掺杂元素向锗中加入电子,使电子更容易涌出来。相反,在一个p型层,特定的掺杂元素使锗失去电子,因此,邻近物质的电子向它流动。

将n型和p型相邻放置,你就创建了一个pn二极管.这个二极管允许电流流动,但只能单向流动,这在电路构造中是很有用的特性。欧宝平台代理

全成熟的晶体管是下一步。为了创建晶体管,工程师分层掺杂锗,以便在P-N-P或N-P-N的配置中返回两层。接触点被称为交叉点,因此名称结型晶体管

通过对中心层(称为基底层)施加电流,电子将从n型一侧移动到p型一侧。最初的涓涓细流充当一个开关,允许更大的电流流动。在电路中,这意味着晶体管既是开关又是放大器。

如今,商用电子产品使用硅基半导体代替锗,硅基半导体比锗基晶体管更可靠,也更便宜。但一旦这项技术流行起来,锗欧宝app靠谱吗晶体管就被广泛使用了20多年。

晶体管无线电和电子革命

晶体管主要用作开关和放大器.考虑到这些功能,与声音相关的设备成为第一个使用晶体管的商业产品就不足为奇了。1952年,晶体管助听器上市。不过,与1954年出现的晶体管收音机相比,这些都是小众产品。收音机让制造商和消费者都看到了晶体管的革命性潜力。

晶体管的功能收音机很简单。声音通过麦克风记录下来,然后转化为电信号。这些信号通过一个电路,晶体管放大信号,随后当信号到达扬声器时,声音会大得多。欧宝平台代理

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然而,让制造商相信这一基本概念适用于大规模生产的产品并非易事。1954年,晶体管被证明是一种新颖的电子元件。设备制造商多年来一直在利用真空管赚钱,所以他们对改用晶体管持怀疑态度,这是可以理解的。

但是,一家名为德州仪器的公司副总裁Pat Haggerty相信晶体管将彻底改变电子行业。德州仪器在锗晶体管中使用了贝尔实验室的突破,借助小印第安纳州命名的想法,开发一个小型口袋大小的晶体管无线电。两家公司在一起创建了一个称为Regency Tr-1的收音机,该收音机于1954年10月18日宣布。

从开始完成,创造TR-1的比赛需要创新的新零件,适合口袋大小的案例,这将足够小,以真正捕捉世界的关注。演讲者,电容器欧宝平台代理,以及仅为该项目创建的其他组件。然而,正是晶体管使这个项目成为可能。

德州仪器公司设计了大量生产收音机用的晶体管的方法,在这个过程中,证明了晶体管及其后续产品比真空管更便宜、更便携、更有效。欧宝平台代理不到一年,艾默生、通用电气(General Electric)和雷神(Raytheon)等其他公司都开始销售基于晶体管的产品。欧宝平台代理现代电子产品的繁荣开始了。

晶体管和计算机时代

如果没有晶体管,工程师们可能永远无法创造出体积小得惊人、功率大得惊人的数字产品。
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Ethan Miller /盖蒂图片社

一旦批量生产的跨膜镜助听器和无线电成为现实,工程师意识到晶体管也会更换计算机中的真空管。首款预晶体管计算机之一,着名的ENIAC(电子数字积分器和计算机)重30吨,部分介于超过17,000个真空管。显而易见的是,晶体管将完全改变计算机工程并导致较小的机器。

锗晶体管的确帮助开启了计算机时代,但硅晶体管彻底改变了计算机设计,并在加州名副其实的硅谷催生了整个行业。

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1954年,德克萨斯仪器公司的科学家乔治欧宝平台代理·蒂尔发明了第一个硅晶体管。不久之后,制造商开发出了大量生产硅晶体管的方法,这种晶体管比锗晶体管更便宜、更可靠。

硅晶体管在计算机生产中非常有效。在智能工程中,晶体管帮助计算机在短时间内完成大量计算。晶体管的简单开关操作,使您的计算机能够完成大量复杂的任务。在计算机芯片中,晶体管在两个二进制状态——0和1之间切换。这是计算机的语言。一个计算机芯片可以有数百万个晶体管不断地转换,帮助完成复杂的计算。

在计算机芯片中,晶体管不是孤立的单个部件。它们是所谓的集成电路(也称为a微芯片),其中许多晶体管协同工作以帮助计算机完成计算。集成电路是一种装有晶体管和其他电子元件的半导体材料。

计算机利用这些电流和布尔代数来做简单的决定。有了许多晶体管,计算机可以非常迅速地做出许欧宝平台代理多简单的决定,从而也可以非常迅速地进行复杂的计算。

计算机需要数百万甚至数十亿个晶体管来完成任务。由于单个晶体管的可靠性和令人难以置信的小尺寸(比一根头发的直径还要小得多),工程师们可以将数不清的晶体管封装到各种各样的计算机和计算机相关产品中。

昨天和今天的晶体管

制造商可以迅速将元件压印在半导体材料上,以节省时间和金钱。
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shockbyte /盖蒂图片社

在20世纪60年代和70年代,晶体管产品大多使用贝尔实验室开发的基础结晶体管设计。20世纪70年代硅的发展导致金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET).mosfet利用与其他晶体管相同的原理,但N型和p型硅更便宜,排列方式不同,并掺杂其他类型的金属和氧化物,这取决于预期的用途。欧宝平台代理

还有许多其他类型的晶体管。工程师们根据晶体管的种类对它们进行分类半导体材料,应用,结构欧宝平台代理,电力额定值,操作频率和其他变量。作为技欧宝app靠谱吗术先进,工程师了解到,它们可以同时制造许多晶体管,在同一块半导体材料上以及其他组件欧宝平台代理电容器和电阻。

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结果就是所谓的an集成电路.这些电路通常被称为“芯片”,包含数十亿个无限小的晶体管。自上世纪60年代以来,单位面积的晶体管数量每1.5年就翻一番,这意味着工程师可以将更多的晶体管塞进越来越小的产品中。

现代硅商业晶体管可以小于45纳米的尺寸。那是NVDIA的新的显卡(代号为GF100)拥有超过3亿晶体管,最大堵塞到一片芯片中。与未来发生的情况相比,这些晶体管是庞之大特。

来自耶鲁大学和韩国的科学家最近发明了世界上第一个分子晶体管,它是由一个苯分子制成的。尽管微型机器人的尺寸令人惊叹,但工程师们强调,他们更关心的是效率,而不是体积。现代芯片产生了大量的热量浪费,因为它们的晶体管没有像产品制造商希望的那样有效地传递能量;分子晶体管可能是大幅提高效率的关键。

由于最近称为石墨烯的材料进展,晶体管材料也在变化。石墨烯比硅转移到电子,并且可能导致计算机处理器比硅基产品快1000倍。欧宝平台代理

无论发展在哪里,晶体管都会继续推动产品的研究和技术进步,我们尚未开始想象。欧宝app靠谱吗计算机将变得更快,更便宜,更可靠。手机和音乐播放器将缩小到超级微小的尺寸,仍然比以前的型号更低。欧宝平台代理

这是晶体管在改变技术景观中的晶体管的力量,最终是我们社会的整体。欧宝app靠谱吗欧宝平台代理对于一个超过60年前发明的简单设备而言并不糟糕。

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更大的链接

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