美國杜克大學工程師開發(fā)了世界上第一個完全可回收的印刷電子產(chǎn)品：由3種碳基墨水制成的晶體管。研究人員希望以此激發(fā)新一代可循環(huán)利用的電子產(chǎn)品的研發(fā)，以幫助解決日益增長的全球電子垃圾問題。相關(guān)研究發(fā)表在26日的《自然·電子學》雜志上。

制作晶體管和集成電路的原料一般是硅片，很難回收利用。據(jù)聯(lián)合國估計，每年丟棄的數(shù)百萬公斤電子產(chǎn)品中，只有不到1/4被回收利用。

在新研究中，杜克大學電氣與計算機工程教授亞倫·富蘭克林及其團隊展示了一種完全可回收的全功能晶體管，其由3種碳基墨水制成，可以輕易打印到紙張或其他柔韌環(huán)保材料的表面。碳納米管和石墨烯墨水分別用于半導(dǎo)體和導(dǎo)體。富蘭克林說，這些材料在印刷電子產(chǎn)品領(lǐng)域并不新鮮，開辟可回收利用新途徑的是一種名為納米纖維素的木質(zhì)絕緣介質(zhì)墨水。

納米纖維素可生物降解，多年來一直用于包裝等領(lǐng)域。此次，研究人員開發(fā)出一種懸浮納米纖維素晶體的方法，這種晶體從木材纖維中提取出來，在上面灑上少許食鹽，就可以產(chǎn)生一種墨水，作為打印晶體管的絕緣體。在室溫下將這3種墨水放在噴墨打印機中，打印出的全碳晶體管性能良好，可以廣泛應(yīng)用。

將打印出的晶體管浸入一系列水槽中，用聲波輕輕震動它們，并對產(chǎn)生的溶液進行離心，可依次回收碳納米管和石墨烯，平均回收率接近100%。此外，兩種材料都可以在相同的印刷過程中重復(fù)使用，性能幾乎無損。由于納米纖維素是由木材制成的，其與印刷紙均可被回收利用。

富蘭克林表示，像這樣的可回收電子產(chǎn)品不可能完全取代芯片，而且當前研究離打印可回收的計算機處理器還很遠。但這種完全可回收的多功能印刷晶體管為我們開發(fā)出擁有可循環(huán)“生命周期”的新型電子產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。

總編輯圈點

用二維納米材料，可以印刷電路，制作電子元器件甚至晶體管。當然，和傳統(tǒng)晶體管相比，這類晶體管在性能上還有一定差距。這次，科研人員改良了打印晶體管的“墨水”，用了懸浮納米纖維素晶體+食鹽的新“配方”。這一配方的最大亮點，就是“可回收”。電子垃圾是擺在人類面前的棘手問題，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，電子垃圾也越來越多。制備可完全回收的碳基材料晶體管，也為可循環(huán)使用的新型電子產(chǎn)品制造工藝探了路。

晶體管——20世紀最偉大的發(fā)明

現(xiàn)代電子晶體管是一種半導(dǎo)體器件，常用來放大或切換電子信號。晶體管是由一塊固體的半導(dǎo)體材料制成，至少有三個端子，用于連接外部電路。在晶體管的一對端子上施加電壓或電流，就會改變流經(jīng)另一對端子的電流。由于受控(輸出)功率可以比控制(輸入)功率大得多，晶體管提供了信號的放大作用。晶體管是現(xiàn)代電子設(shè)備的基本構(gòu)件，被用于無線電、電話、計算機和其他電子系統(tǒng)。有些晶體管是單獨封裝的，但大多數(shù)晶體管是在集成電路中出現(xiàn)的。

正如許多發(fā)明的情況一樣，晶體管是許多發(fā)明家的成果，只有最后的發(fā)明家或最聰明的發(fā)明家才會獲得所有的榮譽——這些人便是美國人約翰-巴丁、威廉-肖克利和沃爾特-布拉坦，他們因發(fā)明晶體管而于1956年獲得諾貝爾物理學獎，該發(fā)明被稱為20世紀最重要的發(fā)明。

然而，誰是第一個呢?

半導(dǎo)體研究的開端是以邁克爾-法拉第于1833年關(guān)于硫化銀電阻負溫度系數(shù)的報告為標志的。這是第一次觀察到任何半導(dǎo)體特性。在他1833年的論文"Experimental Researches in Electricity"中，法拉第披露了這一觀察結(jié)果。這一觀察結(jié)果與金屬和電解質(zhì)的通常特性不同，后者的電阻隨溫度增加。

法拉第

下一個對半導(dǎo)體領(lǐng)域有重大貢獻的是法國實驗物理學家埃德蒙-貝克勒爾。1839年，他報告了氯化銀涂層鉑電極的光電壓觀察。在他的實驗中，將涂有AgCl的鉑電極浸入硝酸水電解質(zhì)溶液中。照亮電極產(chǎn)生光電壓，改變了電池產(chǎn)生的電磁場，事實上，它在AgCl涂層電極上產(chǎn)生了還原性(陰極)光電流;這是第一個被報道的光伏裝置。光伏是在Ag/AgCl金屬半導(dǎo)體接觸處產(chǎn)生的。

1873年，英國電氣工程師威洛比-史密斯(1828-1891)(見附近的畫像)得出了硒的光導(dǎo)性的發(fā)現(xiàn)。他最初的工作是與海底電纜。他開始用硒進行實驗，因為它的高電阻，似乎適合他的海底電報。不同的實驗者測量了硒棒的電阻，但他們在不同條件下測量的電阻完全不一致。后來史密斯發(fā)現(xiàn)，電阻實際上取決于入射光的強度。當把硒條放在滑蓋關(guān)閉的盒子里面時，電阻是最高的。當把各種顏色的玻璃杯放在光的路上時，電阻會根據(jù)通過玻璃的光量而變化。但當揭去蓋子后，電導(dǎo)率就會增加。他還發(fā)現(xiàn)，這種效應(yīng)并不是由于溫度變化造成的。

威洛比-史密斯

1874年，德國物理學家費迪南德-布勞恩，一位24歲的柏林大學畢業(yè)生，在維爾茨堡大學研究導(dǎo)電的電解質(zhì)和晶體的特性。當他用一根細金屬線的尖端探查方鉛晶體(硫化鉛)時，布勞恩注意到電流只在一個方向自由流動。他發(fā)現(xiàn)了金屬與某些晶體材料接觸點的整流效應(yīng)。

費迪南德-布勞恩

1876年11月14日，布勞恩在萊比錫向聽眾演示了這種半導(dǎo)體裝置，但直到20世紀初無線電的出現(xiàn)，它才被用作"晶體收音機"中的信號檢測器，才得到有用的應(yīng)用。一般描述性的名稱"貓須"探測器是來自于用于與晶體表面進行電接觸的細金屬探針。布勞恩比較出名的是他在1897年開發(fā)的陰極射線管(CRT)示波器，被稱為"布勞恩管"(德語為Braunsche R?hre)。由于他對無線電報發(fā)展的貢獻，主要是開發(fā)了用于無線電接收器的可調(diào)諧電路，他與Guglielmo Marconi分享了1909年的諾貝爾獎。

而第一個將半導(dǎo)體應(yīng)用于實際目的是孟加拉的多面手Jagadish Chandra Bose爵士(1858-1937)。Jagadish Chandra Bose是一位天才的物理學家、生物學家、植物學家、考古學家和科幻小說作家。

Jagadish Chandra Bose

為了接收輻射，Jagadish Chandra Bose使用了各種不同的金屬半導(dǎo)體結(jié)與高靈敏度的電流計串聯(lián)起來。他發(fā)明了幾種半導(dǎo)體裝置，首先是他在1894-1898年期間的一段時間里發(fā)明的蓋萊納探測器，并在1900年的《皇家學會講演》中進行了演示。在這個裝置中，一對點觸頭(貓須)，在這種情況下是鎵，與電壓源和電流計串聯(lián)起來。這個裝置可以檢測任何一種輻射，赫茲波、光波和其他輻射。他把他的鎵點接觸探測器稱為人工視網(wǎng)膜(因為通過適當?shù)陌才牛梢灾惶綔y光波)，是一種通用輻射計。Bose后來獲得了世界上第一個半導(dǎo)體設(shè)備的專利，即Galena探測器。在他的其他開創(chuàng)性的固態(tài)半導(dǎo)體接收器中，有螺旋彈簧相干器和鐵汞鐵相干器(探測器)與電話。

在1902年至1906年間，美國電話電報電氣工程師Greenleaf Whittier Pickard(1877-1956)測試了數(shù)千種礦物樣品，以評估其整流特性。西屋公司的硅晶體產(chǎn)生了一些最好的結(jié)果。1906年8月20日，他為硅點接觸探測器(二極管)申請了"通過電波接收智能通信的手段"的美國專利，并于當年11月獲得授權(quán)(見皮卡德的美國專利836531)。皮卡德與兩個合伙人成立了無線特種儀器公司，推銷"貓須"晶體無線電探測器。它可能是第一家制造和銷售硅半導(dǎo)體器件的公司。另一位美國發(fā)明家--亨利-鄧伍迪在皮卡德之后幾周就獲得了使用碳化硅(carborundum)制成的點接觸探測器的系統(tǒng)專利。

Greenleaf Whittier Pickard

1915年美國物理學家曼森-本尼迪克斯發(fā)現(xiàn)鍺晶體可以用來將AC(交流電)電流轉(zhuǎn)換成DC(直流電)，即鍺晶體的整流特性。于是，鍺被列入了半導(dǎo)體的行列。在此之前，它是由硅、硒和碲組成的一個短名單。

1927年，美國人L.O.Grondahl和P.H.Geiger發(fā)明了氧化銅整流器。1927年8月23日，美國專利1640335頒發(fā)給Grondahl。

1925年，著名的發(fā)明家Julius Lilienfeld在加拿大申請專利，第二年在美國申請專利，描述了一種裝置，非常類似于MESFET晶體管，他稱之為當時控制電流的方法和裝置(見Lilienfeld的美國專利1745175)。

Julius Edgar Lilienfeld

Julius Edgar Lilienfeld(1882-1963)是物理學和電子學領(lǐng)域的杰出人物。奧地利猶太人Lilienfeld出生于奧匈帝國的Lemberg(現(xiàn)在叫烏克蘭的Lviv)。他接受過教育(物理學博士)，并在德國生活到20世紀20年代中期，當時他決定移民到美國。除了上述第一個晶體管的專利外，他還是該領(lǐng)域其他幾項專利的持有者--1928年美國專利1900018"控制電流的裝置"，用于薄膜MOSFET晶體管;1928年美國專利1877140"電流放大器"，用于控制電流流動的多孔金屬層的固態(tài)裝置，這是真空管的固態(tài)版本;1931年美國專利2013564"電解電容器"，用于第一個電解電容器。當Brattain、Bardeen和Shockley試圖為他們的晶體管申請專利時，他們的大部分要求都被拒絕了即由于Lilienfeld的專利。

Heil專利1935年1934年，另一位德國科學家--Oskar Heil(1908-1994)，電氣工程師和發(fā)明家，為一種早期的晶體管類裝置申請了德國專利，描述了用電場控制半導(dǎo)體材料中電阻的可能性，他稱之為"電子放大器和其他控制安排和裝置的改進"。1935年，海爾為他的裝置獲得了英國、比利時和法國的專利。

Britsh專利圖

第一個晶體管1947年1939年，新澤西州貝爾電話實驗室的研究人員William Shockley和Walter Brattain通過在氧化銅層中插入一個微小的控制柵格來制造一個半導(dǎo)體放大器，但沒有成功。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束了他們的實驗。

然而在1947年，同樣是Brattain，這次他和John Bardeen一起發(fā)明了點接觸晶體管(由鍺制成)。威廉-肖克利(團隊負責人)當時不在現(xiàn)場，沒有得到發(fā)明的功勞，這讓他非常生氣。這也就罷了。點接觸晶體管制造困難，可靠性不高。這也不是肖克利想要的晶體管，所以他繼續(xù)研究自己的想法，這才有了結(jié)晶體管，這種晶體管更容易制造，效果也更好。Bardeen和Brattain于1948年6月17日提交了專利申請，專利于1950年10月3日頒發(fā)。

William Shockley幾乎在同一時間為結(jié)晶體管申請了他的第一個專利--美國專利2569347于1948年6月26日申請，1951年9月25日頒發(fā)(見Shockley的第一個專利)。

John Bardeen(1908-1991)、William Bradford Shockley(1910-1989)和Walter Houser Brattain(1902-1987)，(見下圖)在1956年分享了諾貝爾物理學獎，"以表彰他們對半導(dǎo)體的研究和發(fā)現(xiàn)晶體管效應(yīng)"。

Bardeen(左)、Shockley(中)和Brattain(右)

那么，晶體管是如何工作的呢?

晶體管是如何工作的晶體管的設(shè)計使它可以作為一個放大器或開關(guān)。晶體管的設(shè)計使它可以作為一個放大器或開關(guān)來使用，這是通過使用少量的電力來控制一個大得多的電力供應(yīng)的柵極來實現(xiàn)的，就像轉(zhuǎn)動閥門來控制水的供應(yīng)一樣。

晶體管由三部分組成，稱為基極、集電極和發(fā)射極?；禽^大電力供應(yīng)的柵極控制裝置。集電極是較大的電源，而發(fā)射器是該電源的出口。通過從基座發(fā)出不同水平的電流，可以調(diào)節(jié)從集電極流過柵極的電流量。通過這種方式，可以用非常小的電流來控制大量的電流，就像在放大器中一樣。同樣的過程用于創(chuàng)建數(shù)字處理器的二進制代碼，但在這種情況下，需要一個五伏的電壓閾值來打開集電極柵極。這樣一來，晶體管就被用作一個具有二進制功能的開關(guān)：五伏-開，小于五伏-關(guān)。