书城自然科学求知文库——电子能及动力发展史
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第5章 电子学的宠儿(2)

虽然在实践上行不通而且在理论上也有问题,我们还是可以想像它是由两个二极管拼起来的。如果把两个二极管的正极都连在一起,就可以得到一个NPN的三极管,如果负极接在一起,就有了一个PNP的管子了。虽然这仅仅是我们的想像,但事实上一个三极管内部的确存在着两个PN结。

那么一个三极管的功能是否就是两个二极管的总和呢?不是的!由于其中的两个PN结之间还要产生相互的影响,所以不能用1+1=2这样的等式来简单地概括,自然界中的许多事情都不能简单的用算术来描述的。晶体三极管的功能相对于二极管而言有了质的变化,就这点来说,1+1是大于2的!

晶体三极管的三极分别称为发射极、基极和集电极,正好对应NPN或者PNP。三极管有两个特点引人注目:其一是流过发射极的电流会等于基极电流和集电极电流的总和;另外一点是基极的电流相对发射极电流和集电极电流是非常非常小以致可以忽略不计,所以发射极的电流的绝大部分都会由集电极流出,这也正是三极管中有一个极称为发射极而另外还有一个集电极的原因了。

晶体三极管最重要的放大特征正是体现在这三个极电流之间的关系上。

基极的电流非常小,但它对其他两个极电流的影响都非常大。通常,如果基极电流增加1个毫安,那集电极电流就会有几十到几百毫安的增加。这的确是个非常惊人的数字,它意味着基极信号的变化幅度在集电极端放大了几十到几百倍,这不也正是肖克莱小组以及许许多多电气工程师们所梦寐以求的吗?

显然,晶体管的这种放大效果真空三极管也是能够实现的,可为什么晶体管最后会将真空三极管取代掉呢?它究竟好在哪里呢?

它好在哪里

电子管的发明使人类进入了电子学时代,没有它就不可能在20世纪20年代推广无线电声音广播,让亿万人听到音乐、新闻等种种丰富多采的节目,也不可能在20世纪40年代出现“电视爆炸”也就是电视的迅速普及。显然,在电子技术的发展史上,电子管的里程碑地位是无可否认的,但在现实需要与电子管的缺陷之间的矛盾日益尖锐时,晶体管的出现无疑使无线电殿堂的主宰慢慢由电子管移到了晶体管上,电子管的缺陷看来一夜之间全部得以克服了。

每天清晨在公园里、马路边我们总能见到一些鹤发童颜的老人一边散步,一边聆听收音机里播送的早间节目。他们可以把收音机拿在手上或者就把它放在口袋里,这个玩意是这样轻巧,丝毫不让这些年长的人感到累赘。

凭什么能这样呢?因为有了晶体管,这种便携式的东西在真空管时代还是难以想像的,体积小和重量轻无疑是晶体管最值得夸耀的资本。晶体管的核心是块小晶片,加上电极和封装也要比普通的电子管小巧几百倍。即使到了20世纪60年代出现了超小型电子管,可就是早期的个头相对来讲还很笨重的晶体管与之相比,也只能说是小巫见大巫了。

晶体管的另一个长处是它的性能要稳定得多了,能够适用在那些震动很厉害的场合,譬如运输过程中,而电子管却不行。为什么呢?我们平时骑自行车上马路的时候,总会很小心地避开那些坑坑洼洼,其中的一个原因当然是使自己感觉舒适平稳些,而另外一个方面是震动小能很好地维护自行车,因为自行车是用螺丝把各种组件紧固在一起的。电子管的结构也是很复杂的,组装起来的东西一经震动没准就会出现接触问题了。而新发明的电子管的电气性能的连接是在具有两个P—N结的晶片的内部完成的,三个极是一个整体,因而没有这种因震动而引起的麻烦,如果有也只出现在晶体管外部的引出线上。这样的结构使得它的性能要可靠得多。

而且晶体管电信号的传递靠的是掺杂半导体内部的电子和空穴,不用再像真空管那样费劲地加热灯丝去发射电子了,因此耗电量也大幅度降了下来。发射电子的氧化钡涂层现在也不再需要,因而器件理论上的使用寿命值也不复存在了。

对生产厂家来说,他们最关心的是生产的成本,而晶体管显然要比真空管更对他们的胃口了。首先是作为原材料的硅是地球上仅次氧的最丰富的元素,我们见到的沙石瓦砾中都有它的原子;并且它的生产工序也很简单,非常有利于实现自动化生产。成本低廉的晶体管使各种电子设备价格变得越来越低廉,收音机自不必说,电视机也走进了更多的家庭。在晶体管问世不到15年后,在广播收音机中几乎全部取代了真空三极管,在电视机里惟一幸存的电子管就是显像管了。

从20世纪50年代后半期开始,整个无线电世界掀起了一场波澜壮阔的电子设备晶体管化运动,并由此带动了其他元件如电阻、电容、线圈、继电器和各种电路接插件的小型化工作,在电子设备小型化的征途上,人们取得了空前的突破,设备的性能也有了大幅度的提高。整个世界的面貌完全焕然一新,继电子管王朝之后人类终于又跨入了一个新的阶段——半导体的时代。并且由这个时代直接导致了后来更为辉煌灿烂的集成世界的诞生。

谁也想像不出没有晶体管的发明这个世界会怎么样,也许更好,也许更糟,但这都不重要,重要的是它诞生了,世界就变了。

推陈出新

晶体管应运而生的最重要的原因是由电子管为心脏的各种电气设备实在太庞大了。人们都希望看到小巧、漂亮又实用的东西,这样的想法使晶体管从诞生之日起就开始了迈向小型化的漫漫征程。这样带来的好处是不仅可以缩小体积,而且能很好地提高晶体管的频率特性。频率特性的概念看似陌生,其实在日常生活中我们早都熟悉了它。如果你是一个音乐爱好者,你就一定会发现吉他的六根弦中发出声音最尖的必定是那根最细的弦。晶体管也一样,越小越细,高频特性就越好。

一直到20世纪50年代末,生产出来的晶体管大都是合金晶体管,顾名思义,它是采用合金方法制成的,内部有一个小金属电极,体积较为庞大。

到1956年,半导体器件工艺有了重大的进展,两位美国的物理学家发明了一种新的工艺——扩散工艺,很快就诞生了一种新型的三极管——扩散晶体管。这两位科学家都来自美国的贝尔实验室,这个实验室为电子学的进展所做出的贡献是任何其他公司和研究所都不能比拟的。他们和通用电气公司的邓拉普对元素周期表中III—V族杂质向硅和锗的扩散做了大量深入的研究,为扩散晶体管的制造奠定了基础。扩散过程是制造扩散晶体管的关键工序,依靠自己研制出的成果,贝尔实验室成了世界上第一个制造锗和硅扩散晶体管的单位。

扩散技术已经被证明是制造P—N结的最好的控制方法。掺杂杂质在半导体中的扩散速度是非常缓慢的,可以通过调节温度来改变它。这样,杂质的分布可以得到很精确的控制,因而能控制所制造晶体管的全部参数。这当然对提高晶体管的质量大有好处,并且现在也不需要金属球了,体积比起合金晶体管自然要小很多。

1959年,在硅谷仙童公司工作的物理学家霍尼公布了一项他的发明——平面工艺,这种工艺具有相当高的精度,它马上被用于制造一种更新型的晶体管,就称为平面晶体管。仙童公司年轻的创业者们当年就开始出售这种新式产品。有赖于先进的精密工艺,平面晶体管的尺寸更是小了很多,因而大受欢迎。而平面工艺的成功却远不止此,由于它的出现,集成电路的制造成为可能,它成了现代半导体工业的最重要的基石。

先让我们来看看另外一个常见的情形,我们经常在一些场合见到巨幅的伟人画像,它们是那样逼真以致人们总很惊讶于这么大一张画布如何才能画得那般精确呢?其实这里面有个小技巧,画师们可以把一张伟人相片的底片放在投影机上,而把画布当作幕布,这样经过投影放大的伟人像就会出现在画布上,画师们就可以根据影像把轮廓勾画出来,这样出来的画像当然神态轮廓都很逼真了。平面工艺中最困难的事情是处理小至微米细的线路,怎么能够这样精确呢?事实上,我们也可以做一个模板,它一般是晶片的数百倍的放大,在这样一个大区域内可以很精确地分割出该掺杂的区域和绝缘区域。与画像时的放大相反,我们可以用照相的方式再数百倍的缩小,我们就可以得到一张非常精细的电路版图了。在这张版图上,该掺杂的区域是透光的。我们在硅片的绝缘薄膜上再涂上一层光致抗蚀剂,也就是一旦受到光照的话就可以把底下的绝缘膜给腐蚀掉。最后一步的原理再简单不过了,把制好的版图放在硅片上,仅需要一束光就能得到预定的光刻区域了,这些区域就是半导体杂质渗入的方便之门。

通过平面工艺制成的晶体管比合金晶体管前进了一大步,不过这仅仅是小试牛刀而已,真正发挥平面工艺巨大的潜力的时代还在后头呢!那是什么时代?那是集成电路的时代。