FPGA系统设计：晶体管的重要性和发展历程

每一部描述二战情节的电影都会有一个当时最高技术的装备-无线电报机。早期的无线电系统产生的信号仅仅只是依靠天线来取得。这种信号是很弱的，尤其是距离稍微远一点，信号就非常弱了。后来，人类发明了真空管以及晶体管，学过模拟电路的都知道，晶体管这种电子设备，可以极大地放大微弱的信号。这迅速的普及了无线电。

晶体管的踪迹，从1929年就已经出现了。当时要做出的晶体管有一个特点，那就是既能够让信号电流沿着一个方向流动，又能阻止信号电流反向流动。那时候的工业技术水平还有很大的欠缺，很难制造出足够纯度的晶体管。最初的思路是不断地寻找不同的材料来实现这种晶体管。工程师们依次测试了电子管、矿石收音机的触须式检波器。

直到二次世界大战前夕，贝尔实验室的工程师终于发现微量掺杂的锗晶体有实现晶体管的潜力。

能一辈子致力于做科学研究的人，都应该是理科方面的通才。如果不是，那他或她这一辈子在科学领域里很大的概率要默默无闻了。无论是物理的、化学的、甚至是生物的等等，各个领域的知识不敢说全精通，至少在需要用到跨学科的知识的时候能立刻用得上，这是一个伟大科学家的基本素养，也是造就其成就的部分原因。有时候可以把这种跨学科的运用说成是运气，实际上哪有那么多的运气。天才的基因99%都是来自于汗水，只有1%来自妈妈的肚子。

贝尔实验室的工程师发现微量掺杂的锗晶体有实现晶体管的潜力这件事本身说明了什么？作为一个科学家，本能的反应应该是：锗元素的核外有四个自由电子，那么核外有四个自由电子的其他元素，比如碳、硅、锡、铅等，其单晶是不是也可以研究一下？由此，在二战期间，贝尔实验室开展的针对硅材料和锗材料的研究为后来晶体管的发明打下了很好的基础。

第二次世界大战结束之后，贝尔实验室成立了以肖克莱带领的团队专门针对硅和锗等半导体材料进行研究，成员包括巴丁、布拉顿等人。研究的目的是在这些材料上如何实现电流的放大。事物的发展有它自有的规律。这些科学家大都从事了很多年的半导体研究，具有丰富的经验，研究的过程中也逐渐摸索和认清了电流放大的基本思路。

到了1947年12月，世界上首个能把音频信号放大100倍的半导体问世了。尺寸大概有3cm长，4mm粗。

今天的模拟电路的教材里都介绍到了三极晶体管，下面我们以NPN型三级晶体管来介绍其电流放大的基本原理。

图1.3　NPN型三极管示意图

图1.3是NPN型三极管的结构图。它是把三种半导体组合到一起形成了3层结构，从左至右依次为N型、P型和N型半导体。

硅原子核外4个价电子和别的硅原子核外的4个价电子组成共价键结构。能自由移动的电子一个也不多、一个也不少。所以把硅单晶叫作本征半导体。(www.xing528.com)

如果把硅单晶里的一些硅原子替换为核外有5个价电子的原子（替换的过程就是掺杂），5个价电子拿出4个来与别的原子构成共价键结构，还多出一个价电子，这个价电子就是自由电子。电子带负电。所以把这种掺杂的半导体叫作N型半导体。N型半导体的多数载流子就是电子。载流子的意思是这种东西（电子）的流动意味着电流的流动，电子流动的相反方向就是电流的方向。

如果把硅单晶里的一些硅原子替换为核外有3个价电子的原子，3个价电子从别的地方拿过来一个电子总共拿出4个来与别的硅原子构成共价键结构。从别的地方拿的电子不是白拿的，电子离开的地方会留下空穴，拿了多少个电子就会留下多少个空穴。拿的越多，留下的空穴越多。空穴带正电。所以把这种掺杂的半导体叫作P型半导体。P型半导体的多数载流子就是空穴。载流子的意思是这种东西（空穴）的流动意味着电流的流动，空穴流动的方向就是电流的方向。

P型半导体和N型半导体连接的地方就是PN结。所以图1.3发射区和基区连接的地方就是发射结。图1.3集电区和基区连接的地方就是集电结。图1.3每个半导体的端点都有极，分别为发射极、基极和集电极，这是导线连接半导体的地方。

它的电压偏置是如下安排的：当基极（P）电压高于发射极（N）电压零点几伏时，发射结正向偏置。当集电极（N）电压高于基极（P）电压几个伏特时，集电极电压反向偏置。

在制造三极管时，有3点工艺上要注意的地方：（1）人为控制使得发射区的多数载流子浓度大于基区的多数载流子浓度；（2）基区要做得很薄；（3）严格控制杂质含量。

三极管通电以后，由于发射结正向偏置，发射区的多数载流子（电子）与基区的多数载流子（空穴）在电场作用下很容易地穿越过发射结向对方扩散。由于发射区的多数载流子的浓度大于基区的多数载流子的浓度，所以穿越过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流就被称为发射极电流Ie。

由于基区很薄，加上集电结是反向偏置，注入基区的电子大部分穿越过集电结进入集电区，从而形成集电极电流Ic，只有很少一部分（大概小于10%）的电子在基区与基区的空穴进行复合。基区外部连着引线，基区的空穴被电子在基区复合掉，基极的引线从外部信号引流补充基区的空穴。从而形成了基极电流Ib。

总的电流是守恒的。因此Ie=Ib+Ic。这意味着只要基极不断的补充很小的电流Ib，在外部电压控制下（控制两个PN结的正偏和反偏），就可以在集电极上得到一个较大的电流Ic。这就是三极管电流放大的基本原理。Ic与Ib的比值就是电流放大倍数β。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中，通过电阻可以利用三极管的电流放大作用，转变为电压放大。

这种能放大电流的半导体的命名很有意思。三极管的基极输入是一种低电阻输入，集电极输出是高电阻输出（想想看，集电极和基极是反偏的，反偏意味着截止，输出电阻很大），这样一种电阻变换的特性，布拉顿给它取名为trans-resister（转换电阻），后来其英文就缩写为transistor，翻译为中文就是晶体管（三极管）。晶体管的出现，是20世纪的一项伟大成就。它完全替代了体积大、功耗大的电子管。1956年，肖克利、巴丁、布拉顿三人，因发明晶体管而同时获得了诺贝尔物理学奖。图1.4是被世人尊称为晶体管之父的肖克莱。

图1.4　晶体管之父肖克莱