原创从肖特基二极管到PN结与三极管

 2023-2-18 10:17  1871 10 10 分类: 通信

最近数个工作日的兴趣是回顾电子基础器件的发明/发展历史, 期待夯实技术基础的底蕴. 在学习与搜索资料的过程中, 顺便对知乎的一个同学的基础问题, 进行了回复.
不小心回复一下就成了千字文, 觉得挺有趣的也在博文留下记录叭.

1900年前后电力(电动机)技术与无线电通讯(意大利马可尼与俄罗斯波波夫 1894年同时发明无线电报)的发展, 标志电力/电子时代到来. 无线电通讯使信号放大与检波成为必须. 而首先大规模应用(大约 1920 年代, 恰好是100年前), 却是基于当时电子管的科学研究基础上的, 真空电子管器件.

二战时点接触式的二极管则开始取代真空管, 其原因根据对资料的查阅, 大概是高频性能(或当时雷达技术等领域), 稳定性, 体积等限制, 促进肖特基二极管的应用.

PN结/三极管的发明, 亦源于当时以肖特基二极管作为基础装置的, 创造性实验结果.

1947年, 美国贝尔实验室(Brattain与Bardeen)基于两个(头对头)并联模式的肖特基二极管, 构成了首个点接触式的三极管实验装置.

从装置上看并非真的两个独立二极管并联, 它们实际构建于一整块锗块(根据图示, 我目视推测约 1cm 厚度), 但三角形结构的(两个斜边各粘贴的)金箔的顶点被弹簧压在锗块上, 顶点处即被理解为极近距离的两个并联肖特基二极管的连接点.

Bardeen 在上个世纪末的一次采访中曾说, 他们的发明可能是个意外, 当时电子业界科研发展的方向, 明显是模仿真空电子管的场效应管 FET 器件(今天集成电路广泛使用的就是 MOSFET). 这导致了三极管与MOS管, 即使在今天的设计中, 作为分立器件都被广泛使用(特别是模拟电路常使用三极管).

题外话, 想想看, 三极管工作模式很微妙 -- 极近距离(大约 10um 是关键), 使得基础电路能够将(比较而言)极少量的正电荷载流子注入到放大电路中, 并且以稳定比例模式进行信号放大. 怎么就通过这个看似脑洞大开的创造性的装置实现了?

根据电子历史趣闻回顾, 作为贝尔实验室相关部门的领导, Shockley 博士, 他被其组员 Brattain 与 Bardeen 极大刺激. 作为能力极强的技术型领导, 他在 1948~1950年, 发明了 PN 的结型结构的三极管, 并设计了 PN 结理论(三人小组因此同获诺贝尔奖).

讨论1: 如果我没有理解错, 今天我们每位同学, 都得学习的 "空穴导电"与"扩散"理论入门. 进一步需学习 Dr. Shockley 发明的 PN 结的两种载流子(多子少子)的流动理论, 且因此形成了"双极型(双极性)". 这里似又产生疑问, 我理解本意指"双极性", 但"双极性"很容易让人混淆整流的方向的极性, 所以称"双极型"可区分这个混淆. 但中文世界的网络资料, 看似双极性, 双极型都在混用着.

讨论2: 所以, BJT 按本意, 似应翻译为: 双极型(区分肖特基的仅多数载流子导电)结型(区分肖特基点接触模式)传导电阻器( transistor 似被中文世界译为"晶体管", 真奇怪啊...我们前辈们都是怎么脑洞大开来翻译的?), 才是正确的中文译名. 但 "双极型结型传导电阻器"可能名字太长, 中文世界又不能用首字母大写 BJT 来简单称呼. 所以, 最早哪位前辈管它叫"三极管"来着? 因为它的大规模市售的规格有三条腿腿? ^O^

P.S. 推测"三极管"译名由来(2023.2.27 添加):
(1) 根据延伸阅读, "三极管"的称呼或源于(真空)三极管("triode valve"或"vacuum triode"或"triode vacuum tube") .
真空三极管的发明专利应源于美国人 de Forest 于 1906 的申请. 他因某种错误的认知(真空管内电离气体也是一个电极), 而将装置称为: "audion"(ion-离子). 彼时业界或最终形成约定称呼: "triode valve"(三极管).
(2) 而 "triode valve"(三极管)中的 "valve", 又或从 Fleming 发明的真空二极管(发明专利 Fleming valve 或 vacuum diode) 的名称延续.
(3) 即"三极管", 或具体指代, 兴盛于1920年代(真空管时代)的"(真空)三极管".
(4) 或可推测彼时, 即 BJT 发明创造时代(1950年代), 中国大陆科技界未能同步该技术前沿. 对 BJT 沿用了真空管时代"三极管"之称呼.
(5) 结论: 彼时中国大陆电子业界或对 BJT 与 triode valve 不加区分, 都称"三极管". 由于真空管时代已经远离, "三极管"最终被默认指代 BJT. 如需与 Fleming valve 或 triode valve 区别, 或可称其: "(真空)三极管".

讨论3: Dr. Shockley 必将在人类历史不朽. 不仅是 PN 结/三极管的发明, 而且或因他带动了今天的半导体电子的产业繁荣. 作为科研领袖, Shockley 带领数位科学家回到了他的老家(硅谷)干事业, 最终可能因科研发向的不同坚持而导致团队动摇(或者与他固执认为团队成员中有精神病人存在, 并要求每位团队成员去看医生作精神检查). 其团队分离组成了仙童和Intel. Shockley 黯然离开硅谷(他要是把团队带去别的风景区, "硅谷"就得换个地方). 晚年作为大学教授, Shockley 发表的论文可谓精彩纷呈, 黑人的智商低, 具体低到某个百分比就是他的大作... 这就不知道该怎么往下讨论了...

肖特基二极管并没有因为 PN结的出现, 就导致消亡. 今天的设计中, 仍然被大量使用. 我就用过肖特基二极管的低压降特性试图在设计中降低功耗. 而且 DCDC(非同步模式)典型应用, 外围还必须用肖特基二极管(利用其快恢复特性).

也查阅了下现代肖特基的工艺, 大致上:

(1) 由于锗的小电流特点, 或反向电流特性, 或温度特性等弱点, 另外可能就是锗金属价格比较贵. 现代一般使用硅替代锗.

(2) 金属端也变化, 不再使用纯金属, 而或使用多晶硅.

(3) 由于点接触的不稳定(或表面层 SiO2) 之影响, 现代工艺一般使用了溅射模式. 我理解实际上, 也不存在传统的点接触, 而实际上也成型为"结型".

以上, 肖特基二极管有趣的讨论就此结束. 更多创造性的新电子器件, (集成或电路)设计一定还在新的路途中, 期待着期待着!

肖特基二极管