二十世紀最重要的發明──電晶體。

1947年:巴丁(Bardeen)布拉頓(Brattain)、蕭克利(Shockley)在美國的貝爾實驗室製造出第一個具有放大電流效果的固態三極體,並首先啟用了『電晶體(transister)』此一名稱。由於此三極體的結構特徵及電極的電流機制,因此取名為點接觸電晶體。

1948年:蕭克利再設計出結構上由兩個PN接面緊緊相鄰在一起的半導體元件─接面電晶體,,此結構的電晶體特性穩定,且不難以當時的半導體技術來製作生產,旋即成為眾多電子元件中廣受矚目的焦點,其後來的發展更成為半導體元件的主流。

1960年:柯恩(DKahng)及阿塔拉(MAtala)以金屬-氧化物-半導體(常以金氧半表示)的閘極結構,設計出以目前來看更為實用的場效電晶體。由於金氧半場效電晶體可大量縮小其體積、耗電量低、穩定性高、容易大量生產,因此在微電子的應用上,後來居上,不論在產量或是用途方面,都遠超過其他任何一種電子元件。

如果要你票選二十世紀最重要的發明,你會選擇什麼?以對人類影響至深至大而言,首推電晶體的發明。但你可知,五十年前,貝爾實驗室首次發表了電晶體,所得到的反應竟是隔天紐約時報短短幾行不起眼的文字,而幾年後,電晶體的共同發明人蕭克利、巴丁、布拉頓三人獲頒諾貝爾物理獎。

第一個電晶體的發明過程。

貝爾實驗室的創辦人,Alexander Graham Bell (1847.3.3-1922.8.2)終其一生的願望,就是發明一個好用的助聽器(貝爾的老婆是聽障者),這個願望在他死後多年,因他的實驗室研究員的發明而得以實現。

1833年法拉第(Michael Faraday, 1791-1867)發現了半導體,他發現硫化銀的電阻與普通的金屬不同,它的電阻隨著溫度的上升而降低,而普通金屬的電阻都是隨著溫度的上升而增加的。在二次大戰前,人們已開始進行半導體的研究,二次大戰期間,貝爾實驗室的人都被徵調去當兵。

蕭克利 Schockley(William Schockley, 1910-1989)當兵期間是雷達軍官,對真空管相當瞭解,對真空管體積大、耗電量多、易損壞的缺點也知之甚詳。戰爭結束後,他亟想用當時正在發展中的半導體來取代真空管。

當時已知在半導體內移動的是自由電子與電洞,他想:「如果我在半導體內插入二個電極板,控制這二個電極板的電壓,就可以影響半導體內自由電子與電洞的分佈,我就可以改變電流,讓電流通過外接的電阻,就可以使電壓放大。」(當時應用中的真空管三極體主要功能就是放大、開關)

但是他一直無法在半導體內插入電極板,在他準備放棄前他找了布拉頓(Walter H. Brattain, 1902-1987)來幫忙,Brattain是農家小孩出身,手很靈巧,他依照Schockley的要求,將平行刀片插進半導體內,可是電流卻沒有如Schockley所預期般的放大。

前後嘗試了三年,一直沒有成功。巴丁(John Bardeen, 1908-1987)是一個理論物理學家,他與Brattain在同一個辦公室,他覺得Schockley的構想不錯,他也很疑惑,為何無法得到預期的結果?(預期經過電晶體後,電流應放大)

【巴丁得過二次的諾貝爾獎,一次是因製做出電晶體,一次是因建立了超導體的微觀理論。】

他花了一個月的時間,潛心研究,解決了這個問題。他發現,當金屬片存在半導體中時,會產生金屬屏蔽效應,雖然在半導體二端加了電場,電場卻無法穿越半導體。他認為如果要控制電流的話,不是控制晶體內部電子或電洞,是應該要控制表面,要從表面來想,不是從塊狀物來想 。朝這個方向去研究,他們只用了一年多,就做出了第一個電晶體。

1947年12月23日三位科學家─巴丁、布萊坦、蕭克利發明了如右圖所示的電晶體但於次年六月才正式發表。

第一個電晶體依其結構又稱為點接觸電晶體,品質相當不穩定,難以控制。

電晶體的構想是Schockley提出,最後卻是由Bardeen解決了理論的問題而得以成功,不服輸的Schockley為此閉關苦思一個月,接著發明了接面型電晶體(BJT)。品質穩定,得以大量生產。Schockley後來離開了貝爾實驗室,在加州灣區開創第一家半導體公司,引起了風起雲湧的矽谷盛事。

第一個電晶體的結構簡介

在圖上可看到在有機玻璃的下方 基座上有一小塊平板形狀的灰色鍺晶體,晶體底面緊壓著兩片分隔僅約0.1mm的平行金薄片,晶體上面則 頂著一箭頭形的金屬電極。如果在此電極和其中之一的金薄片施加順向偏壓,而在電極和另一金薄片之間 加上逆向偏壓,則此電路具有將小訊號放大的功能。這種結構稱為點接觸型電晶體。

幾個星期後,肖克利 將之改良為p-n接面型電晶體,並建構了相關的理論。由於他們三位在半導體研究的開創性貢獻,1956年 獲頒諾貝爾物理獎。

電晶體的體積不但比真空管小得多,而且耗電量很低,又反應迅速,因此在發明後短 短數年之內,就取代了真空管,把電子 工業的技術帶入了一個新的紀元。

半導體、PN二極體

接面電晶體(BJT)

場效應電晶體(MOSFET)

微電子技術