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晶体管的发展历史

发布时间:2016-06-12 14:04:17  来源:838电子    作者:传感器世家   更新20190627 071521

1883年,爱迪生把一根电极密封在碳丝灯泡内靠近灯丝,当灯丝通电发热时,金属板若接到高电位会有电流流通,反之,金属板若接到低电位就没有电流流通。这个”在真空管内加热灯丝,电子会从灯丝放射出,便称为『爱迪生效应』。

图1 爱迪生效应

『电子』的发现:1895年,荷兰物理学家罗伦兹(H.A. Lorentz), 【图1】爱迪生效应提出假设有独立电荷电子的存在。1897年,由英国物理学家汤姆生(J.J. Thompson),于实验室中证实有电子的存在。

真空管时代:1897年,布朗(Braun)发明了世界上第一支阴极射线管(Cathode Ray Tube,CRT),如图2所示,又称布朗管,应用于示波器、电视机和电脑显示器或监视器上。

【图2】布朗管(或称阴极射线管)

1904年,佛来明(Fleming)设计了一个真空二极管如图3(a)所示,灯丝的目的是加热阴极板使阴极板预热,当阴极外接讯号低电位而阳极外接讯号高电位如图3(b)所示时,则阴极板上大量的自由电子会因「爱迪生效应」放射出来流向阳极而形成通路,反之若阴极外接讯号高电位而阳极外接讯号低电位如图3(c)所示时,则因为没有足够的自由电子可以放射而形成开路,这种阳极和阴极间只允许电流由阳极流向阴极单向导通的特性,称为整流效应。

图3 真空二极管

1906年,美国工程师福雷斯特(D. Forest)在弗莱明的真空二极管内添加了栅栏式的金属网,形成了真空三极管如图4所示,而这第三个极称为「栅极」。栅极上的微量的电压讯号,能控制抑制阴极放射出来的电子数量,所以阳极的波形与栅极的完全一致,却具备比栅极讯号更大的能量,具有放 大的特性。此外,当栅极的正电压足够高,栅极会吸收所有的电子,使得三极管的阳极及阴极间呈现断路现象,若栅极加低电位,则三极管的阳极及阴极间呈现导通的短路现象;因此,也具有开关特性。

图4福雷斯特的真空三极管

晶体管时代:真空管尚有许多缺点如十分消耗电能、灯丝容易烧断需要更换、体积大、重量重,贝尔实验室于是于1945年7 月,成立了固态物理的研究部门,经理正是萧克莱(William Shockley) 与摩根(Stanley Morgan)开使着手发展固态电子元件以取代真空管。

 1947年贝尔实验室发表了第一个以锗半导体做成的点接触晶体管(point contact transistor)如图5所示,而自从1948年起也正式开始进入了晶体管时代。

由于点接触晶体管的性能尚不佳,萧克莱在点接触晶体管发明一个月后,提出了使用p-n 接面制作接面晶体管 (junction transistor) 的方法,称为双极型晶体管 (bipolar transistor)。

图5 第一个点接触晶体管

在工业上,1951年西方电器公司(Western Electric)开始生产商用的锗接点晶体管。1952年西方电器、雷神 (Raytheon)、美国无线电(RCA) 与奇异(GE)等公司,则生产出商用的双极型晶体管。1954,美国德州仪器公司 (Texas Instruments)开发成功第一颗以硅做成的晶体管。

集成电路时代 1958年德州仪器公司的基尔比(Jack Kilby)提出了单石电路的构想,在一块锗结晶上制造出一个晶体管与用金属板和半导体分别做成极板及氧化层作成介质形成电容,并以整块锗半导体扩散形成电阻,他以细小金线连接这些元件,成功的制造出第一个具有集成电路概念的电路如图6所示。

图6第一个锗质集成电路

1958年,美国费契德半导体公司(Fairchild Semiconductor)的Jean Hoerni发明了平面型制程技术,将基极及射极依次扩散到集极内。他采用了照相技术及费契德半导体公司主任诺宜斯(Noyce)和Moore早期所提的扩散技术制作出了人类第一个完整的集成电路,如图7所示。

 图7第一个完整的集成电路

1961年制造出第一个商用的集成电路,随后由于制程技术的进步,使得一个集成电路内包含的晶体管数越来越多,我们将以每颗集成电路所内含晶体管数目。

如Intel公司早期的4004 4位元CPU内含2300个晶体管,就是属于大型集成电路(LSI),1976所设计的8086 8位元微处理器内含29,000 个晶体管,则为超大型集成电路 (VLSI),1989年的80486 内含1,200,000 个晶体管则为极大型集成电路。电子零件的内含晶体数除了因为制程技术进步而越来越大外,所使用的材 也从真空演变到硅、锗等纯半导体,随着其它不同用途的需要也采用了复合半导体,如具有更高电子移动率的III-V 族砷化镓(GaAs)‧‧‧等。


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