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1883年,著名发明家托马斯·生(Thomas Edison)在一次实验中,观察到一种奇怪现象。
当时,他正在进行灯丝(碳丝)的寿命测试。在灯丝旁边,他放置了一根铜丝,但铜丝并没有接在任何电极上。也就是说,铜丝没有通电。
碳丝正常通电后,开始发光发热。过了一会,生断开电源。他无意中发现,铜丝上竟然也产生了电流。
生没有办法解释出现这种现象的原因,但是,作为一个精明的“商人”,他想到的第一件事,就是给这个发现申请专利。他还将这种现象,命名为“生效应”。
现在我们知道,“生效应”的本质,是热电子发射。也就是说,灯丝被加热后,表面的电子变得活跃,“逃”了出去,结果被金属铜丝捕获,从而产生了电流。
1884年,英国物理学家约翰·安布罗斯·弗莱明(John Ambrose Fleming)访问美国,与生进行会面。生向弗莱明展示了生效应,给弗莱明留下了深刻的印象。
1901年,无线电报发明人伽利尔摩·马可尼(Guglielmo Marconi)启动了横跨大西洋的远程无线电通信实验。弗莱明加入了这场实验,帮助研究如何增强无线信号的接收。
所谓信号检波,其实就是信号筛选。天线接收到的信号,是非常杂乱的,什么信号都有。我们真正需要的信号(指定频率的信号),需要从这些杂乱信号中“过滤”出来,这就是检波。
无线电磁波是高频振荡,每秒高达几十万次的频率。无线电磁波产生的感应电流,也随着“正、负、正、负”不断变化,如果我们用这个电流去驱动耳机,一正一负就是零,耳机就没办法准确地识别出信号。
采用单向导电性,正弦波的负半周就没有了,全部是正的,电流方向一致。把高频过滤掉之后,耳机就能够轻松感应出电流的变化。
为了检波信号,弗莱明想到了“生效应”——是不是可以基于生效应的电子流动,设计一个新型的检波器呢?
就这样,1904年,世界上第一支真空电子二极管,在弗莱明的手下诞生了。当时,这个二极管也叫做“弗莱明阀”。(真空管,vacuum tube,也就是电子管,有时候也叫“胆管”。)
弗莱明的二极管,结构其实非常简单,就是真空玻璃灯泡里,塞了两个极:一个阴极(Cathode),加热后可以发射电子(阴极射线);一个阳极(Anode),可以接收电子。
玻璃管里之所以要抽成真空,是为了防止发生气体电离,对正常的电子流动造成影响,破坏特性曲线。(抽成真空,还可以有效降低灯丝的氧化损耗。)
1906年,美国科学家德·福雷斯特(De Forest Lee)在真空二极电子管里,巧妙地加了一个栅板(“栅极”),发明了真空三极电子管。
加了栅极之后,当栅极的电压为正,它就会吸引更多阴极发出的电子。大部分电子穿过栅极,到达阳极,将大大增加阳极上的电流。
栅极上很小的电流变化,能引起阳极很大的电流变化。而且,变化波形与栅极电流完全一致。所以,三极管有信号放大的作用。
一开始的三极管是单栅,后来变成了两块板子夹在一起的双栅,再后来,干脆变成了整个包起来的围栅。
这个小小的元件,真正实现了用电控制电(以往都是用电,存在频率低、寿命短、易损坏的问题),用“小电流”控制“大电流”。
基于它,我们才有了性能越来越强的广播电台、收音机、留声机、电影、电台、雷达、无线电对讲等。这些产品的广泛普及,改变了人们的日常生活,推动了社会进步。
1919年,德国的肖特基提出在栅极和正极间加一个帘栅极的想法。这个想法被英国的朗德在1926年实现。这就是后来的四极管。再后来,荷兰的霍尔斯特和泰莱根又发明了五极管。
20世纪40年代,计算机技术研究进入。人们发现,电子管的单向导通特性,可以用于设计一些逻辑电路(例如与门电路、或门电路)。
于是,他们开始将电子管引入计算机领域。那时候,包括埃尼阿克(ENIAC,使用了18000多只电子管)在内的几乎所有电子计算机,都是基于电子管制造的。
我们学习计算机基础的时候,肯定学过基本的逻辑运算,例如与、或、非、异或、同或、与非、或非等。
实现上面这些逻辑门功能的电路,就是逻辑门电路。而单向导电的电子管(真空管),可以组建变成各种逻辑门电路。
一方面,电子管容易破损,故障率高;另一方面,电子管需要加热使用,很多能量都浪费在发热上,也带来了极高的功耗。
1782年,意大利著名物理学家亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta),经过实验总结,发现固体物质大致可以分为三种:
第三种材料的奇葩特性,伏特将其命名为“Semiconducting Nature”,也就是“半导体特性”。这是人类历史上第一次出现“半导体(semiconductor)”这一称呼。
1833年,迈克尔·法拉第(Michael Faraday)发现,硫化银在温度升高时,电阻反而会降低(半导体的热敏特性)。
1839年,法国科学家亚历山大·贝克勒尔(Alexandre Edmond Becquerel)发现,光照可以使某些材料的两端产生电势差(半导体的光伏效应)。
1873年,威勒毕·史密斯(Willoughby Smith)发现,在光线的照射下,硒材料的电导率会增加(半导体的光电导效应)。
1874年,德国科学家卡尔·布劳恩(Karl Ferdinand Braun)发现了天然矿石(金属硫化物)的电流单向导通特性。这是一个巨大的里程碑。
卡尔·布劳恩 1906年,美国工程师格林里夫·惠特勒·皮卡德(Greenleaf WhittierPickard),基于黄铜矿石晶体,发明了著名的矿石检波器(crystal detector),也被称为“猫胡须检波器”(检波器上有一根探针,很像猫的胡须,因此得名)。
尽管它存在一些缺陷(品控差,工作不稳定,因为矿石纯度不高),但有力推动了电子技术的发展。当时,基于矿石检波器的无线电接收机,促进了广播和无线电报的普及。
人们使用着矿石检波器,却始终想不明白它的工作原理。在此后的30余年里,科学家们反复思考——为什么会有半导体材料?为什么半导体材料可以实现单向导电?
早期的时候,很多人甚至怀疑半导体材料是否真的存在。著名物理学家泡利(Pauli)曾经表示:“人们不应该研究半导体,那是一个肮脏的烂摊子,有谁知道是否有半导体的存在。” 后来,随着量子力学的诞生和发展,半导体的理论研究终于有了突破。
1928年,德国物理学家、量子力学创始人之一,马克斯·普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck),在应用量子力学研究金属导电问题中,首次提出了固体能带理论。
量子理论之父,普朗克 他认为,在外电场作用下,半导体导电分为“空穴”参与的导电(即P型导电)和电子参与的导电(即N型导电)。半导体的许多奇异特性,都是由“空穴”和电子所共同决定的。
固体物体的原子之间,靠得比较紧,电子就会混到一起。量子力学认为,电子没法待在一个轨道上,会“撞车”。于是,轨道就硬生生成了好几个细轨道。 在量子力学里,这种细轨道,叫能级。而多个细轨道挤在一起变成的宽轨道,叫能带。
在两个能带中,处于下方的是价带,上方的是导带,中间的是禁带。价带和导带之间是禁带。禁带的距离,是带隙(能带间隙)。
两条轨道离得太远,空隙太大,电子跑不过去,就没有办法导电。但是,如果从外界加一个能量,就能改变这种状态。
如果带隙在5电子伏特(5ev)之内,给电子加一个额外能量,电子能完成跨越并自由移动,即发生导电。这种属于半导体。(硅的带隙大约是1.12eV,锗大约是0.67eV。)
如果带隙超过5电子伏特(5ev),正常情况下电子无法跨越,就属于绝缘体。(如果外界加很大的能量,也可以强行帮助它跨越过去。例如空气,空气是绝缘体,但是高压电也可以击穿空气,形成电流。)
值得一提的是,我们现在经常听说的“宽禁带半导体”,就是包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)等在内的第三代半导体材料。
它们的优点是禁带宽度大(>
2.2ev)、击穿电场高、热导率高、抗辐射能力强、发光效率高、频率高,可用于高温、高频、抗辐射及大功率器件,是行业目前大力发展的方向。
前面我们提到了电子和空穴。半导体中有两种载流子:自由电子和空穴。自由电子大家比较熟悉,什么是空穴呢? 空穴又称电洞(Electron hole)。
常温下,由于热运动,少量在价带顶部的能量大的电子,可能越过禁带,升迁到导带中,成为“自由电子”。
电子跑了之后,留下一个“洞”。其余未升迁的电子,就可以进入这个“洞”,由此产生电流。大家注意,空穴本身是不动的,但是由空穴“填洞”过程产生了一种正电在流动的效。
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