从二极管到集成电路——晶体三极管

1948年美国贝尔电话研究所的两位物理学家布拉顿和巴顿做成了世界上第一个晶体三极管，其结构示意如图1a，它是在一块锗（Ge）晶体上放置两根金属针构成的，其中一根是固定针另一根是探针。当按图1b接上电源并移动探针，当探针向固定针靠近到离固定针0.05毫米处时，发现流过探针的电流变化能极大地影响流过固定针的电流变化，这就是说这个实验装置可以起到放大作用。图1a是根据上述实验制成的点接触型锗晶体管。我们可以将固定针看作是集电极端子，探针看作是发射极端子，而从那块N型锗晶体上则引出了基极。

这种点接触型晶体管离实用尚有很大差距。然而在1949年，贝尔研究所又一位物理学家肖克莱就已有了面接合型晶体管的设想，并于1951年发表了研究结果。这种管子噪声小并适合于大批量生产，因而很快使晶体三极管得到推广应用。

面接合型晶体管用合金法制造，因而现在也叫合金型晶体管。这种锗晶体管早先用于低频放大电路中，如用在助听器、轻便电唱机中等。后来随着制造工艺的不断改进，又有合金扩散型和平面型等晶体管，使管子工作频率有所提高，才用于收音机中。1953年荷兰菲利浦公司就生产了第一批干电池供电的晶体管收音机，日本则后来居上，短期内就在袖珍式收音机的制作上居领先地位。

上述合金型晶体管制造工艺的基本过程是将N型锗单晶用切割机切成薄片，经研磨机研磨到一定厚度，再用激光或金刚石刀等切割成正方型薄片，然后在薄片两面各放上一块铟（In）粒，如图2a，最后送入高温炉烧结，使在两交界面上分别形成P型薄层，从而形成PNP锗三极管，如图2b。（也可以用P型锗单晶制成NPN锗三极管）。其中铟粒较大的一边作为集电极，这是为了有较大的集电结面积，以便尽可能多地收集从发射极扩散过来的载流子；另一边是发射极；中间N型锗片则为基区，基区很薄，仅几微米到几十微米。国产3AX、3AD型等锗PNP三极管及3BX型NPN三极管均属于此种结构。但是这类管子在制造合金结时，为了防止把基区烧穿，基区厚度不能做得太薄，所以管子的频率特性差，多在低频使用。

为了改善晶体管的频率、温度特性，并提高管子长期工作稳定性，陆续又制造出了合金扩散型、台面型等各种晶体管，最后研制出了性能极为优越的平面型晶体管。

平面型晶体管的基础材料是N型硅单晶。将它放在水蒸汽中加热到1000℃，就可在晶体表面生成约1微米厚的氧化硅（SiO\(_{2}\)）薄膜，形成密闭良好的电绝缘层，保护晶体免受潮气和污染，有效地防止了管子特性发生变化，大大提高了管子的稳定性。平面型晶体管制造时的另一项重要措施是采用了光刻技术，在长有SiO2的硅片表面涂上一层感光胶，经烘干，放上一块特制的掩模版，然后进行紫外光曝光。掩模版是根据哪些部位氧化层需要去掉、哪些部位氧化层需要保留而制成的。经过曝光以后，对应于掩模版上透光部位的感光胶就会硬化而留在氧化硅上作为保护层，而被遮住未曝光的部位则可用显影液洗去，这时把硅片放入氢氟酸中，就会使没有感光胶保护的SiO\(_{2}\)层被腐蚀掉，露出硅片，称为“窗口”。这样，利用光刻技术开出窗口，先通过硼（三价）扩散形成P型层，再通过磷（五价）扩散形成N型层，每次扩散后都仍应覆盖一层氧化硅膜，涂上一层感光胶，再进行掩模曝光。通过多次氧化、光刻、扩散的巧妙配合，做成了平面型晶体管，其剖面结构示如图3。这种管子的整个结构都做在一个平坦的表面上，平面型管亦因此而得名。国产3DG、3DK型等硅NPN晶体管和3CG、3CK型等硅PNP晶体管均属此种结构。

晶体管发展到现在，品种规格越来越多。但若从管子内部结构着眼，无论何种晶体管都可看作是一块有两个PN结的半导体单晶体，两个PN结分别叫做发射结和集电结，其“结合”型式有NPN和PNP两种。图4是NPN结构的晶体管，它有三个引出端e、b、c，分别叫发射极、基极、集电极。这种管子亦可看成是两个反相串接的硅二极管，如图4b。NPN型晶体管的符号如图4c，其中带箭头的是发射极，箭头方向表示发射极电流的方向，箭头向外即表示NPN管的发射极电流是向外流的。图5是PNP结构的晶体管，它亦可看成是两个反相串接的锗二极管，其符号如图5c。

为了弄清晶体管里的电流关系，我们给NPN管的发射结加上正向电压V\(_{eb}\)，而集电结则加上反向电压Vcb，如图6。由图可见，发射区的电子在V\(_{eb}\)形成的正向电场作用下，越过发射结，扩散到基区，而基区的空穴亦会越过发射结扩散到发射区。由于电子带负电，空穴带正电，故两者形成的电流方向一致，从基区流向发射区，为发射极电流Ie。由于在制造时总是使发射区的电子浓度比基区的空穴浓度大得多，因而越过发射结的载流子主要是发射区的电子流。当大量电子注入到基区后，由于基区做得很薄，除一小部分与基区的空穴复合以形成基极电流I\(_{b}\)外，大部分在所加集电结反向电压Vcb作用下，迅速通过基区到达集电极。由于集电结加的是反向电压，它所产生的电场阻止集电区的电子向基区扩散，而有利于把从基区扩散来的电子收集到集电区，形成集电极电流I\(_{c}\)。（注意电流方向与电子流方向相反）。由此，我们不难看出Ie、I\(_{b}\)、Ic三者间的关系为I\(_{e}\)＝Ib＋I\(_{c}\)。当然，在反向电压作用下的集电结，也会产生少数载流子（空穴）的漂移而引起反向电流Icbo，也叫反向饱和电流，但它仅是I\(_{c}\)和Ib中很微小的一部分。

晶体管里的电流不但具有I\(_{e}\)=Ib＋I\(_{c}\)的关系，而且Ib与I\(_{c}\)在相当大的范围内能保持一定的比例关系，因而晶体管很象一个电流分配器，它把Ie按一定比例分配成I\(_{b}\)和Ic，其中I\(_{c}\)始终占绝大部分、Ib仅占很小部分。为了弄清这一物理概念，我们来按图7电路做一个简单实验。按图接通电源E\(_{b}\)、Ec后，串接在管子三个极上的电流表会各自指示各极相应的电流，调节串在发射极上的电位器W\(_{1}\)，就可改变加在发射结b、e间的正向电压，从而改变Ie，同时使I\(_{b}\)、Ic发生变化。于是可测得表1中所示的一组数据。从表中可看出，每次测得的电流都保持了I\(_{e}\)＝Ib＋I\(_{c}\)的关系，且所做的五次测量中，Ib的每相邻两次之差均为0.02毫安，即基极电流的变化ΔI\(_{b}\)=0.02mA，而Ic的相邻两次之差均为0.98毫安，即每当基极电流变化ΔI\(_{b}\)=0.02mA时，都会引起集电极电流变化ΔIc＝0.98mA，I\(_{b}\)的变化量很小，而Ic的变化量却很大，它比I\(_{b}\)的变化大了ΔIcΔI\(_{b}\)=0.98;0.02=49倍。正由于晶体管有这样一个电流分配关系，才具有放大信号的特点。我们不难设想，若将图7中的可调电位器W1去掉改接上一个交流信号源，随所加交流信号幅度的变化，同样亦可造成be结正向电压的变化，使I\(_{b}\)随信号变化ΔIb，相应地I\(_{c}\)变化ΔIc，将I\(_{b}\)的变化放大了很多倍，起到了放大信号的作用。

现代晶体管与初期晶体管相比，无论在结构、性能及稳定性上都大有改进，管子的工作频率也越来越高。目前的晶体管已具有电子管所无法相比的各种优点：它体积小，重量轻；结构可靠，寿命长，耐震耐冲击；它工作电压低，进入工作状态快；不需要灯丝电源，功耗小；由于它有NPN、PNP两种管型，可以构成电子管所无法构成的电路。当然，晶体管也还有比不上电子管之处，例如它受温度的影响比电子管大，它的功率还不够大，频率上限还不够高等。所以在一般小功率的设备中都采用晶体管，而在大功率放大器中仍然要用电子管。它们各有优缺点，各在不同的领域中发挥各自不同的作用。（金国钧编译）