继续阅读
凝聚态物理 · 阅读路径
声音变响，能量从哪里来
麦克风能把声音变成微弱电信号，却不能直接推动大扬声器。要让声音变响，输出端得交出更多电功率。多出来的能量来自电池或电源；晶体管负责用小信号调节这股较大的能量流。这是“放大”的关键：器件改变了导电能力，还不够，必须放进有电源、有负载的电路，证明输出信号确实得到增强。
1947 年 12 月，贝尔实验室的 Bardeen 和 Brattain 把两个紧挨的触点压在锗上，获得了放大。问题由“锗能不能导电”推进到了“一个触点能不能控制另一个触点收集的电流”。读懂这次实验，不能只看那只小小器件的照片，还要沿着输入、偏置电源和输出负载，把能量与信号的路线分别找出来。
早期场效应方案为什么不灵
半导体里能运动的电荷包括电子和空穴。空穴可以想成价带里留下的一个空位：邻近电子填过去，空位便朝相反方向移动，用一个正载流子来描述最方便。早期方案希望在半导体旁放一只电极，用电场吸引或排开载流子，像给电容充电一样改变导电能力。这条思路本来很自然。
实际效果却远弱于预期。Bardeen 提出，表面存在一些能够占据电子的能态，外加电场带来的电荷有很大一部分被这些表面态接住，没能有效改变晶体内部可运动的载流子。于是，表面怎么清理、环境如何变化、金属触点怎样接触锗，都成了实验核心。失败不是一句“材料不好”就能概括；它指出了一个具体障碍：半导体表面的电子结构，会挡住原本想施加到内部的控制。
两个触点把注入与收集接起来
点接触器件的两个金属触点接在同一块锗上，另有较大的接触作为公共端。其中一个触点正向偏置，承担注入作用，另一个触点负责收集。相关实验采用的 n 型锗，体内多数载流子是电子；但从局部注入的空穴，会明显改变收集端附近的导电行为。这里的转折，正是认识到少数载流子也能控制器件，不能把所有运动电荷都当成原来那批导电电子。
两个触点必须足够接近，注入造成的扰动才能在多余载流子消失之前影响收集端。表面状态与触点制备也会改变效果。这样一个很依赖细节的小结构能够放大，已经是重要证据；它却不等于今天课本里的理想结型晶体管。特别要注意，点接触器件以公共端定义的电流传递，与后来用基极电流定义的增益，不能只因为都叫“电流增益”就直接互换。
增益要在选定工作点附近测
测放大，先把直流偏置调到一个稳定工作点，再叠加很小的输入变化，看指定负载上的输出怎样变化。小信号电流增益比较的是工作点附近的电流增量，不是随手拿两个总电流相除。要得到电压增益，还得知道输入、输出阻抗，因为同样的电流变化，经过不同电阻，会对应不同电压变化。
功率的判断更直接：对于电阻负载，先把信号电压的均方根平方，再除以相应负载电阻，就能算出平均信号功率。下式中的均方根电压只取信号部分，两个电阻分别属于被比较的输入与输出回路。频率、负载与失真条件必须说明。这样量到的增强，才证明电源通过器件给信号补上了能量；仅仅让电表指针偏转，或在几乎没有负载时读到很大电压，还不能把放大性能讲完整。
结型晶体管把少数载流子的路变得清楚
Shockley 的结型晶体管理论把控制载流子的过程安排进不同掺杂区。以 NPN 器件为例，富电子的发射区、集电区夹着很薄的富空穴基区。发射结正向偏置，把电子注入基区；电子在这里属于少数载流子。注入后，电子浓度沿位置不均匀，便向前扩散，反向偏置的集电结把许多尚未复合的电子收走。
基区为什么要薄？电子穿过它需要时间，途中可能与空穴复合。扩散长度刻画多余载流子在消失前通常能走多远，它等于扩散系数与寿命乘积的平方根。其中的扩散系数以面积每时间计，寿命以时间计，开平方后得到长度。基区相对这个长度越薄，越多电子有机会到达集电极。小基极电流伴随大集电极电流，来自这样的注入、扩散与收集过程；实际器件还要在电阻、电容、速度之间取舍。
先看输出曲线的拐点，再用增益关系
量输出特性时，保持基极电流不变，逐步扫描集电极与发射极之间的电压。在正向放大区，集电极电流近似按基极电流的固定倍数变化，对输出电压不太敏感。低压端会出现拐点：集电结不再满足反向偏置条件，器件进入饱和。真实器件的另一端还存在自热和击穿限制，曲线上的平台不能无限延伸。
举一个明确的教学算例。电源为六伏，集电极串联一千欧电阻，假定放大区增益为一百。基极送入二十微安，预计集电极约二毫安，电阻降去二伏，晶体管两端还剩四伏。若把基极电流加到八十微安，直接乘增益会得到八毫安，可这只电源和电阻连六毫安都供不到。器件会走向饱和，不会凭空得到八毫安。电源电压等于电阻压降与晶体管两端电压之和，必须和器件曲线一起满足。
来源：[2]
从偶然接触到能重复制造的器件
这段历史里，几类证据接力发挥作用。表面实验解释了早期场效应方案为何不按简单预期工作；点接触放大证明固体器件确实能控制并增强信号；少数载流子研究和结理论，又给出更容易系统分析的器件路线。它们回答的问题不同，不能把一张现代晶体管示意图当成整段发现史的替身。
1956 年，Bardeen、Brattain 与 Shockley 因半导体研究和晶体管效应共同获奖。意义也超出了“把设备做小”：人们能够有意安排掺杂区、界面和偏离平衡的载流子分布，让材料执行电路功能。后来不同家族的晶体管各有控制方式，工程上仍绕不开同一个要求：把材料与结构连接到实测电特性，而不是发现一种新材料，就默认它已经能当放大器。
载流子控制怎样变成电路功能
晶体管把注入、扩散与收集安排在同一器件里，小信号便能调节来自电源的较大能量流。偏置和负载决定这种控制会表现为放大，还是走向截止与饱和。从表面态实验到结型器件，半导体内部的载流子分布逐渐成为可以设计的对象，这也为后来的集成电路准备了基础。