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文|史这样滴

编辑|史这样滴

前言

晶体管的发明是电子学史上最重要的成就之一，20世纪中期开发的晶体管彻底改变了这个领域，为数字时代铺平了道路，并改变了我们的生活、通信和计算方式，在晶体管发明之前，电子设备严重依赖真空管，这些真空管体积大、耗电，而且往往不可靠。

对更小、更可靠、更节能的器件的需求推动了对更高效、多功能替代产品的追求，尤其是在电信、计算和消费电子应用中，这种对创新的追求最终导致了晶体管的发展，晶体管的发明深深植根于半导体物理原理。

那么它的发明原理是什么？

发明原理

半导体是电导率介于导体和绝缘体之间的材料，某些材料的半导体特性的发现，特别是锗和硅，为晶体管的发展奠定了基础，理解半导体中电子和空穴的行为对晶体管运作的概念化至关重要。

第一个成功的晶体管设计，被称为双极结型晶体管(BJT)，于1947年在贝尔实验室由约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉姆·肖克利提出，BJT由三层半导体组成，即发射极、基极和集电极，形成两个pn结。

通过向基极-发射极结施加小电流，可以在集电极和发射极之间流过更大的电流，从而有效地放大信号，BJT的操作是基于通过注入少数载流子来控制流经基区的电流，虽然BJT是开创性的，但它也有局限性。

1960年，金属氧化物半导体场效应晶体管，与BJT不同，场效应晶体管通过电场控制多数载流子的流动来工作，而不是电流控制，这种区别提高了效率，加快了开关速度，降低了功耗，为微电子和集成电路铺平了道路。

晶体管的真正变革力量随着集成电路(IC)的发展而显现，在20世纪50年代和60年代，杰克·基尔比和罗伯特·诺伊斯等研究人员独立地将在单个硅片上放置多个晶体管、电阻和电容的想法概念化。

这一突破导致了微芯片的诞生，在这种芯片中，晶体管可以密集地组装和互连，形成了现代计算、电信和电子的基础，晶体管的发明标志着一场技术革命，与真空管相比，它们更快、更小、更节能、更可靠。

晶体管的出现使得更小更强大的计算机得以发展，为电信革命铺平了道路，并改变了消费电子产品，处理能力的指数级增长，器件的小型化，数字时代的兴起，都可以归功于晶体管的发明。

随着技术的进步，晶体管的尺寸不断缩小，同时性能不断提高，这是摩尔定律预测的趋势，然而，随着晶体管在尺寸和功耗方面接近其物理极限，研究人员正在探索替代材料，如碳纳米管和量子点，以继续推动电子技术的发展。

晶体管的发明是人类历史上的一个分水岭，催化了塑造我们现代世界的数字革命，根植于半导体物理原理，晶体管从BJT到MOSFET以及更远的旅程展示了对创新的不懈追求，它对技术的影响，从微电子到集成电路，给各行各业带来了前所未有的进步。

应用场景

晶体管是现代电子产品的基本构件，它催化了一个技术变革的时代，自从发明以来，晶体管已经渗透到我们生活的各个方面，为从计算机到通信系统的所有东西供电，当我们站在这一突破性发明的肩膀上时，认识到支撑现代电子景观的独创性、协作和科学基础是至关重要的。

消费电子产品构成了一个重要的领域，在这个领域中，晶体管的功能和便携性发生了革命性的变化，从智能手机到数码相机，晶体管能够创造出紧凑而节能的设备，晶体管的小型化有助于各种功能的集成，导致多功能和用户友好的小工具成为我们日常生活中不可或缺的。

计算领域的指数增长归功于晶体管的影响，晶体管使得更小、更快、更强大的计算机得以发展，根据电信号快速开关的能力构成了数字逻辑电路的基础，实现了复杂的数据处理、存储和复杂的计算，从真空管到集成电路再到微处理器，计算机已经成为现代社会的支柱。

晶体管在通信系统的发展中发挥了关键作用，实现了高效的信号放大和调制，这种晶体管能够以极低的功耗放大微弱的信号，这在手机、收音机和卫星通信的操作中非常重要，另一个应用是光纤网络，它采用晶体管进行信号放大和数据转换，有助于长距离的高速数据传输。

汽车工业已经利用晶体管来提高车辆的安全性、效率和舒适性，从发动机控制单元到信息娱乐系统，晶体管可以精确控制各种组件，现代电动汽车依靠功率晶体管来调节电池和电机之间的能量流动，有助于节能和减排。

晶体管已经渗透到医疗领域，为先进的诊断、成像和治疗模式做出了贡献，医疗设备，如MRI机和超声波扫描仪，依赖晶体管进行精确的信号放大和处理，起搏器和胰岛素泵等植入式医疗设备利用低功耗晶体管来监控身体功能并提供治疗，从而提高患者的生活质量。

晶体管是可再生能源系统不可或缺的一部分，包括太阳能电池板和风力涡轮机，它们有助于高效的能量转换，确保从自然资源中获取的能量得到有效的转换和传输，功率逆变器中的晶体管有助于将太阳能电池板产生的直流电转化为家用交流电，从而促进可持续能源发电的发展。

在太空探索领域，晶体管推动了卫星技术、深空探测器和通信系统的发展，空间应用中使用的抗辐射晶体管确保了外层空间恶劣条件下的可靠性和弹性，卫星使用晶体管进行信号处理、数据传输和控制，支持导航、天气预报和科学研究。

从音乐会上的声音放大到视频游戏机背后的处理能力，娱乐业已经被晶体管改变了，晶体管是音频设备的核心，放大和调制声音信号以获得身临其境的体验，此外，流媒体服务和高清显示器的兴起归功于晶体管的处理能力。

虽然晶体管实现了显著的技术进步，但它们也面临着挑战，随着它们尺寸的不断缩小，功耗、散热和量子效应等问题变得更加突出，研究人员正在探索新材料和创新设计，以应对这些挑战并维持电子技术的进步。

晶体管的广泛应用强调了它们在现代社会中的不可或缺性，从通信到计算，从医疗保健到娱乐，晶体管是定义当代社会的无数技术的基石，随着我们继续探索新的领域和应对新出现的挑战，晶体管发明的遗产提醒我们人类的创造力和变革。

发明历史

晶体管的历史代表了人类创造力、科学突破和技术革命的迷人传奇，晶体管的发明标志着电子领域的一个关键转折点，推动世界进入一个前所未有的进步时代，在20世纪中期，流行的电子设备依赖真空管进行信号放大和切换。

真空管体积大，耗能高，寿命有限，对更高效、更紧凑、更可靠的器件的需求日益增长，引发了寻找可行替代方案的竞赛，研究人员认识到发现一种技术的必要性，这种技术可以克服真空管的局限性，并重新定义电子学的前景。

突破出现在1947年，当时由约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉姆·肖克利领导的贝尔实验室的一组研究人员向世界介绍了点接触晶体管，这项非凡的发明利用半导体物理学原理，通过控制电流来实现信号放大和开关。

与真空管不同，晶体管运行时不需要加热灯丝，这大大降低了功耗和尺寸，在点接触晶体管成功之后，威廉姆·肖克利在1948年通过引入双极结型晶体管(BJT)进一步推进了这一领域，这种三层半导体器件具有不同的发射极、基极和集电极区域，允许增强对电信号的控制和放大。

BJT的配置使其能够作为放大器或开关工作，彻底改变了电子电路设计，20世纪50年代后期，另一项突破性的创新出现了:集成电路(ICs)的概念，杰克·基尔比和罗伯特·诺伊斯独立地提出了在一个硅片上制造多个晶体管、电阻和电容的想法。

这一巨大的飞跃消除了对分立元件的需求，减小了电子设备的尺寸，为微处理器和微控制器的发展打开了大门，20世纪60年代初，金属氧化物半导体场效应晶体管问世，这是晶体管技术的重大进步。

MOSFET的设计支持低功耗运行，非常适合便携式设备，这一创新，加上小型化方面的持续努力，开创了一个更小、更快、更节能的电子时代，戈登·摩尔在1965年提出的摩尔定律的概念准确地预测了可以集成到半导体芯片上的晶体管数量的指数增长。

这一预测几十年来一直正确，推动了对更小晶体管和更大处理能力的不懈追求，随着晶体管尺寸接近原子尺度，研究人员正在探索新材料和创新架构，以维持电子技术的进步，晶体管的发明和发展对现代社会的几乎每个方面都产生了变革性的影响。

结语

随着晶体管不断缩小，它们面临着与功耗、散热和量子效应相关的挑战，研究人员正在探索替代材料，如碳纳米管、石墨烯和二维材料。

晶体管的历史浓缩了科学好奇心、合作努力和技术飞跃的非凡叙事，从最初的点接触晶体管到现在的纳米集成电路，晶体管以不可思议的方式重塑了世界，当我们站在这一不朽发明的肩膀上时，我们想起了人类创新的持久力量和对电子领域进步的持久追求。

参考文献

【1】《机械原理与机械零件》 屈国华、康介铎、黄文灿、何元庚 高等教育出版 2011年

【2】《机械零部件设计》 张金美 机械工业出版社 2019年6月

【3】《机械零件常识》黄文 机械工业出版社 2019年4月