盡管哥桥，真空電子管將計(jì)算機(jī)的發(fā)展帶入了一個(gè)嶄新時(shí)代，此時(shí)機(jī)器的運(yùn)算速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了此前任何時(shí)期人們的想象激涤，但電子管本身有著體積大拟糕、壽命短、能耗高倦踢、不穩(wěn)定送滞、無法標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等諸多缺點(diǎn)，世界各地的計(jì)算機(jī)科學(xué)家們都清晰地意識到：即使計(jì)算機(jī)的發(fā)展有終點(diǎn)辱挥，那也一定不是電子管計(jì)算機(jī)犁嗅。
人們?yōu)橛?jì)算機(jī)尋求一種更適合的新細(xì)胞，很快就迎來了神奇的晶體管晤碘。
從半導(dǎo)體到晶體管
我們知道褂微，任何物質(zhì)都有或高或低的電導(dǎo)率功蜓。電導(dǎo)率高到一定程度的是導(dǎo)體，比如金屬和電解質(zhì)溶液蕊梧；電導(dǎo)率低到一定程度的是絕緣體霞赫，比如塑料和橡膠；電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣體之間的就是半導(dǎo)體肥矢，比如硅端衰、鍺和砷化鎵，它們的處境十分尷尬甘改，用于導(dǎo)電效率太低旅东，用于絕緣又不夠安全。但從19世紀(jì)30年代開始十艾，科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體在通電抵代、加熱和光照條件下的一些特殊性質(zhì)，逐漸開發(fā)出其在整流和光電轉(zhuǎn)換方面的能力忘嫉。然而荤牍，這些只是半導(dǎo)體應(yīng)用的開胃小菜，后廚的科學(xué)家們在半導(dǎo)體中摻入一些雜質(zhì)庆冕，意外地發(fā)現(xiàn)它變成了導(dǎo)體求泰，效果就像往不導(dǎo)電的純水中撒一把食鹽一樣禽笑，他們很快調(diào)制出一種名為晶體管的秘方，驚艷世界的滿漢全席即將開桌瞒御。
主廚是貝爾實(shí)驗(yàn)室的三位物理學(xué)家——約翰·巴段冒场（John Bardeen）聊倔、沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）和威廉·肖克利（William Shockley）蜗帜。1947年末缴淋，他們基于半導(dǎo)體鍺組裝出第一個(gè)具有信號放大功能的點(diǎn)接觸型晶體管（point-contact transistor）。不過在審批專利時(shí)响巢，美國專利局認(rèn)為肖克利的研究方向與點(diǎn)接觸型晶體管關(guān)系不大描滔，便去掉了他的名字。肖克利身為組長卻沒有得到應(yīng)有的回報(bào)抵乓，但他并沒有因此而氣餒伴挚，堅(jiān)持在半導(dǎo)體領(lǐng)域繼續(xù)攻堅(jiān)克難，并在1949年發(fā)明出更實(shí)用的雙極結(jié)型晶體管（bipolar junction transistor）灾炭，簡稱BJT，真正打開了半導(dǎo)體計(jì)算的大門颅眶。有人戲說蜈出，是堅(jiān)持者（persistor）發(fā)明了晶體管（transistor）。1956年涛酗，三人作為晶體管的先驅(qū)共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)铡原。
半導(dǎo)體
BJT的工藝十分精細(xì)偷厦、復(fù)雜，但它的原理并不難理解燕刻。晶體管的名稱源自制作它的半導(dǎo)體材料是晶體只泼，與非晶體不同，晶體在微觀層面有著規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)卵洗。以鍺為例请唱，它的晶體結(jié)構(gòu)是經(jīng)典的金剛石立方結(jié)構(gòu)，原子在立方體的中央过蹂，4個(gè)外層電子各占一個(gè)角十绑，每個(gè)外層電子都可以和其他原子的某個(gè)外層電子結(jié)合成對，形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵酷勺，從而組成更大的立方體本橙。
想象一下，每個(gè)原子都向外伸出4只手脆诉，每只手都握著一個(gè)電子甚亭，但是手太大，電子又太小击胜，兩個(gè)電子才能撐滿它的一只手亏狰。為了尋求滿足，它分別和4位友鄰牽手潜的，共享手里的電子骚揍，這樣，每個(gè)原子的每只手上就都有了兩個(gè)電子啰挪。這是一個(gè)十分穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)信不，不但原子心滿意足，成對的電子也因有了伙伴而樂不思蜀亡呵，哪兒都不想去了抽活，因此鍺的電導(dǎo)率不高。
然而锰什，這樣的睦鄰關(guān)系很容易被一些或慷慨或吝嗇的外來者所攪擾下硕，比如愿意分享5個(gè)電子的磷、砷汁胆、銻等梭姓，或者只愿分享3個(gè)電子的硼、鋁嫩码、鎵誉尖、銦等。當(dāng)鍺與前者牽手铸题，多出來的電子就會(huì)成為自由電子铡恕，由于電子帶負(fù)（negative）電荷琢感，這種化合物就被稱為N型半導(dǎo)體；當(dāng)鍺與后者牽手探熔，電子就不夠用了驹针，那些只有一個(gè)電子的手上出現(xiàn)了空穴，對臨近電子有著很大的吸引力诀艰，那些已經(jīng)成對的電子很容易背叛對方柬甥，挪到旁邊有空穴的手上，由于空穴帶正（positive）電荷涡驮，這種化合物就被稱為P型半導(dǎo)體暗甥。
將N型半導(dǎo)體置于電路中，自由電子便在原子的縫隙間沿著電壓從低到高的方向流動(dòng)捉捅；將P型半導(dǎo)體置于電路中撤防，成對的電子便不斷被拆散，去填補(bǔ)電壓更高處的空穴棒口，其離去而產(chǎn)生的新空穴則繼續(xù)由電壓更低處的電子來填充寄月。如此，N型和P型半導(dǎo)體都有著較純鍺更高的電導(dǎo)率无牵，但這并不稀奇漾肮，直到肖克利將它們靠在一起。
晶體二極管
N型半導(dǎo)體中茎毁，接觸面附近的部分自由電子會(huì)去填充P型半導(dǎo)體中接觸面附近的空穴克懊，從而在接觸面上形成一個(gè)P側(cè)帶負(fù)電、N側(cè)帶正電的電場七蜘，這個(gè)電場又阻礙了電子的進(jìn)一步擴(kuò)散谭溉，兩個(gè)半導(dǎo)體中的電子與空穴達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。這個(gè)接觸面附近的電場區(qū)域就是我們常有耳聞的PN結(jié)橡卤。
當(dāng)這塊包含PN結(jié)的半導(dǎo)體披上玻璃扮念、陶瓷或塑料制成的絕緣外衣，以一跟小管的形象面世碧库，就成了我們常說的晶體二極管柜与。讓我們把它放進(jìn)電路，看看會(huì)發(fā)生什么嵌灰。如果P端與電源負(fù)極相連弄匕，N端與電源正極相連，在電源正極的吸引下沽瞭，P和N中的電子都堆積到右側(cè)（對于P粘茄，這也等效表現(xiàn)為空穴堆積到左側(cè)），PN結(jié)的范圍擴(kuò)大秕脓，它的電場則阻止了P端的電子越過界線去往N端柒瓣，電路不通；如果P端與電源正極相連吠架，N端與電源負(fù)極相連芙贫，在電源正極的吸引下，N中的自由電子順勢填入P中的空穴傍药，再無阻礙磺平，它們并從一個(gè)空穴跳到下一個(gè)空穴，直至從P端穿出拐辽，沿著導(dǎo)線進(jìn)入電源正極拣挪，電路導(dǎo)通。
如是俱诸，晶體二極管和電子二極管有著相似的單向?qū)ㄐ圆と埃琍端等同于電子管的陽極，N端等同于電子管的陰極睁搭。
晶體三極管
而當(dāng)我們把兩個(gè)晶體二極管同極相對時(shí)赶诊，就得到了三明治結(jié)構(gòu)（PNP或NPN）的晶體三極管。三極管的結(jié)構(gòu)是對稱的园骆，當(dāng)它進(jìn)入電路舔痪，我們會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，由于兩個(gè)PN結(jié)的存在锌唾，不論如何調(diào)換電源的正負(fù)極锄码，電子都無法從中穿越（電路無法導(dǎo)通），下圖以NPN為例晌涕。
然而滋捶，如果在P端和一個(gè)N端之間加施加一個(gè)足以克服PN結(jié)的小電源，它們就構(gòu)成了一個(gè)局部的二極管渐排，電子從左N涌入P炬太，在局部電路中循環(huán)。同時(shí)驯耻，P右側(cè)的PN結(jié)在大電源電場的拉扯下變得越來越薄甚至發(fā)生極性反轉(zhuǎn)亲族，涌入P的多余電子順勢進(jìn)入右N，并推搡著右N中的自由電子朝電源正極行進(jìn)可缚，電路由此導(dǎo)通霎迫。
如是，晶體三極管和電子三極管也有著相似的性質(zhì)帘靡，釋放自由電子的左N端稱為發(fā)射極知给，等同于電子管的陰極，接收電子的右N端稱為集電極，等同于電子管的陽極涩赢，而P端稱為基極戈次，等同于電子管的柵極。
參考文獻(xiàn)
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