1、肖克萊、巴丁與布拉頓 研究半導體與發現電晶體,組員：孫茂益鄒易彥,威廉肖克萊（William Bradford Shockley，1910年2月13日1989年8月12日）是一位英國出生的美國物理學家和發明家，一生共獲得90多項專利。 他和約翰巴丁、沃特豪斯布拉頓共同發明了電晶體。他並因此獲得1956年的諾貝爾物理獎。20世紀50-60年代，他在推動電晶體商業化的同時，造就了加利福尼亞州今天電子工業密佈的矽谷地區。 1936-1955年期間他在貝爾實驗室工作，曾任電晶體物理部主任。1938年獲第一個專利電子倍增放電器。1947年與巴丁、肖克萊合作發明了電晶體。1951年他成為美國國家科學院院士
2、。,約翰巴丁（John Bardeen，1908年5月23日1991年1月30日），美國物理學家，因電晶體效應和超導的BCS理論兩次獲得諾貝爾物理學獎。 1945年到1951年在貝爾電話公司實驗研究所研究半導體與金屬的導電機制、半導體表面性能等問題。1947年和同事布拉頓發明了半導體三極體，一個月後，肖克萊發明了PN結電晶體，三人因發現電晶體效應共同獲得1956年諾貝爾物理學獎。,沃爾特豪澤布拉頓（Walter Houser Brattain，1902年2月10日中國廈門 - 1987年10月13日），美國物理學家，1956年獲諾貝爾物理學獎。 美國物理學家沃爾特豪澤布拉頓，一位電晶體的共同發
3、明人，他的一生專心致力於表面態的研究1929年受雇於貝爾電話實驗室。 在第二次世界大戰爆發之前幾年，布拉頓在貝爾實驗室關切的首先是鎢的表面物理，隨後是氧化銅半導體的表面。第二次世界 大戰期間布拉頓貢獻自己的時間發展偵測潛水艇的方法在與國家防衛研究委員會的合約之下位於哥倫比亞大學。 戰後布拉頓返回貝爾實驗室加入實驗室新成立的固態部門之內的半導體小組，肖克萊是半導體小組的主管，早在1946，肖克萊初步開始研究半導體並嘗試製造一個實用的固態放大器。,第一個電晶體的發明過程 (一),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
4、，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。 肖克萊 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，他極想用當時正在發展中的半導體來取代真空管。,溫度升得愈高原子振動得就愈厲害，電子的運動會受到原子振動的阻礙，所以溫度越高，電子在金屬中就走得越慢，表示出來的現象就是電阻升高了。半導體電阻與溫度的關係與金屬不同，這是因為半導體中能夠活動的電子數目與溫
5、度的高低有密切的關係，溫度越高，半導體當中能夠活動的電子就越多，能夠傳導的電流就越大，所以半導體的電阻就變小。,真空管（Vacuum tube）是一種電子元件（或作：電子零件）。因為參與工作的電極被封裝在一個真空的(主流是玻璃)容器內，所以被稱為真空管。 在二十世紀中期前，因半導體（如：電晶體）尚未普及，基本上當時所有的電子器材均使用真空管，形成了當時對真空管的需求。所以當時有各式各樣的真空管面世。它們不單止功能不同，連外觀也很不同。不過，我們也可以把它的功能歸納為在電路中控制電子的流動。,第一個電晶體的發明過程 (二),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
6、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。 但是肖克萊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，布拉頓是農家小孩出身，手很靈巧，他依照肖克萊的要求，將平行刀片插進半導體內，可是電流卻沒有如肖克萊所預期般的放大。,第一個電晶體的發明過程 (三),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，他與布拉頓在同一個辦公室，他覺得
7、肖克萊的構想不錯，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，就做出了第一個具有放大電流效果的固態三極體稱為電晶體。,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
8、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。,第一個電晶體的發明過程 (四),1947年12月23日三位科學家巴丁、布拉頓、肖克萊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。 電晶體的構想是肖克萊提出，最後卻是由巴丁解決了理論的問題而得以成功，不服輸的肖克萊為此閉關苦思一個月，接著發明了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，稱為接面型電晶體，品質穩定，得以大量生產。,幾個星期後，肖克萊將之改良為p-
9、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。http:/zh.wikipedia.org/wiki/%E7%BA%A6%E7%BF%B0%C2%B7%E5%B7%B4%E4%B8%81 http:/www.inmjh.kh.edu.tw/project/Britain/people.htm 奇摩知識家,電晶體（transistor）是一種固態半導體元件，可以用於放大、開關、穩壓、信號調製和許多其他功
10、能。 電晶體作為一種可變開關，基於輸入的電壓，控制流出的電流，因此電晶體可做為電流的開關，和一般機械開關（如Relay、switch）不同處在於電晶體是利用電訊號來控制，而且開關速度可以非常之快，在實驗室中的切換速度可達100GHz以上。,放 大 原 理,於共基極組態而言，一個電晶体的E極與B極之間的輸入電阻典型值是在20 0200之間電阻則可自100K1000K。這些電阻的差別是因為E、B極的順向偏壓接面與B、C極的反向偏壓接面所引起的。若輸入電阻選取100歐姆的平均值，則,由於基極雜質濃度低，所以電子數較少，流入基極 接線的電流（B）就較小，約 5 或更少的電洞進入基極的電子中 IL=I=
11、2 mA 同時VL=ILR=(210-3)(5103)=10V 電壓的放大率就是,。輸出部分的為一電阻是RC 的燈泡，輸入部分的訊號vI 用如圖中所示的脈衝訊號，脈衝的高度為VBB（要大於0.7V）。當vI 為0V 時，BE 接面無法導通，電晶體在截止區，故iB=0，同時iC=0，沒有電流流過燈泡，燈泡不亮。這時vCE=VCC，因為燈泡兩端的電位降為0,當輸入訊號vI 變為VBB 時，BE 接面可以導通，iB=(VBB-0.7V)/ RB。iB 決定後即決定了電晶體的輸出曲線，再由VCC 和RC 所決定的輸出負載線，Q 點便可求出，通過燈泡的電流iC 也就知道了。這時電晶體可能偏壓在順向活性區
12、或飽和區，不論如何，燈泡是亮的。只要vI 在0 與VBB 間切換，就可控制燈泡亮或不亮。,電晶體用處: 在類比電路中，電晶體用於放大器、音頻放大器、射頻放大器、穩壓電路; 在電腦電源中，主要用於開關電源。 電晶體也應用於數位電路，主要功能是當成電子開關。數位電路包括邏輯閘、隨機存取記憶體 (RAM) 和微處理器。 功率電晶體 -低頻功率電晶體與高頻功率電晶體。低頻功率電晶體主要使用於聲頻波之放大，如收音機、磁帶式錄音機、立體音響放大器等等。 -高頻功率電晶體主要使用於無線電通訊的發射電路，如原始振盪、緩衝、頻率倍增等。 小訊號電晶體 小訊號電晶體 低頻小訊號電晶體 -低頻小訊號電晶體主要使用於音響機器之低頻放大、醫療儀器、物理化學儀器等。 高頻小訊號電晶體 -高頻小訊號電晶體通常適用於使用頻率在100KHz以上之放大及振盪等用途。,END,
