美國(guó)杜克大學(xué)工程師開(kāi)發(fā)了世界上第一個(gè)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(zhǎng)的全球電子垃圾問(wèn)題。相關(guān)研究發(fā)表在26日的《自然·電子學(xué)》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(guó)估計(jì)，每年丟棄的數(shù)百萬(wàn)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(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程教授亞倫·富蘭克林及其團(tuán)隊(duì)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(shuō)，這些材料在印刷電子產(chǎn)品領(lǐng)域并不新鮮，開(kāi)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(lái)一直用于包裝等領(lǐng)域。此次，研究人員開(kāi)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(lái)，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(jī)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(dòng)它們，并對(duì)產(chǎn)生的溶液進(jìn)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(guò)程中重復(fù)使用，性能幾乎無(wú)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(dāng)前研究離打印可回收的計(jì)算機(jī)處理器還很遠(yuǎn)。但這種完全可回收的多功能印刷晶體管為我們開(kāi)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(diǎn)

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(dāng)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(diǎn)，就是“可回收”。電子垃圾是擺在人類面前的棘手問(wèn)題，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來(lái)越快，電子垃圾也越來(lái)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(jì)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(lái)放大或切換電子信號(hào)。晶體管是由一塊固體的半導(dǎo)體材料制成，至少有三個(gè)端子，用于連接外部電路。在晶體管的一對(duì)端子上施加電壓或電流，就會(huì)改變流經(jīng)另一對(duì)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(hào)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(wú)線電、電話、計(jì)算機(jī)和其他電子系統(tǒng)。有些晶體管是單獨(dú)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(huì)獲得所有的榮譽(yù)——這些人便是美國(guó)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(xué)獎(jiǎng)，該發(fā)明被稱為20世紀(jì)最重要的發(fā)明。

然而，誰(shuí)是第一個(gè)呢?

半導(dǎo)體研究的開(kāi)端是以邁克爾-法拉第于1833年關(guān)于硫化銀電阻負(fù)溫度系數(shù)的報(bào)告為標(biāo)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(gè)對(duì)半導(dǎo)體領(lǐng)域有重大貢獻(xiàn)的是法國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家埃德蒙-貝克勒爾。1839年，他報(bào)告了氯化銀涂層鉑電極的光電壓觀察。在他的實(shí)驗(yàn)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(chǎng)，事實(shí)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(gè)被報(bào)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(guó)電氣工程師威洛比-史密斯(1828-1891)(見(jiàn)附近的畫(huà)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(kāi)始用硒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗母唠娮?，似乎適合他的海底電報(bào)。不同的實(shí)驗(yàn)者測(cè)量了硒棒的電阻，但他們?cè)诓煌瑮l件下測(cè)量的電阻完全不一致。后來(lái)史密斯發(fā)現(xiàn)，電阻實(shí)際上取決于入射光的強(qiáng)度。當(dāng)把硒條放在滑蓋關(guān)閉的盒子里面時(shí)，電阻是最高的。當(dāng)把各種顏色的玻璃杯放在光的路上時(shí)，電阻會(huì)根據(jù)通過(guò)玻璃的光量而變化。但當(dāng)揭去蓋子后，電導(dǎo)率就會(huì)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(guó)物理學(xué)家費(fèi)迪南德-布勞恩，一位24歲的柏林大學(xué)畢業(yè)生，在維爾茨堡大學(xué)研究導(dǎo)電的電解質(zhì)和晶體的特性。當(dāng)他用一根細(xì)金屬線的尖端探查方鉛晶體(硫化鉛)時(shí)，布勞恩注意到電流只在一個(gè)方向自由流動(dòng)。他發(fā)現(xiàn)了金屬與某些晶體材料接觸點(diǎn)的整流效應(yīng)。

費(fèi)迪南德-布勞恩

1876年11月14日，布勞恩在萊比錫向聽(tīng)眾演示了這種半導(dǎo)體裝置，但直到20世紀(jì)初無(wú)線電的出現(xiàn)，它才被用作"晶體收音機(jī)"中的信號(hào)檢測(cè)器，才得到有用的應(yīng)用。一般描述性的名稱"貓須"探測(cè)器是來(lái)自于用于與晶體表面進(jìn)行電接觸的細(xì)金屬探針。布勞恩比較出名的是他在1897年開(kāi)發(fā)的陰極射線管(CRT)示波器，被稱為"布勞恩管"(德語(yǔ)為Braunsche R?hre)。由于他對(duì)無(wú)線電報(bào)發(fā)展的貢獻(xiàn)，主要是開(kāi)發(fā)了用于無(wú)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(jiǎng)。

而第一個(gè)將半導(dǎo)體應(yīng)用于實(shí)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(xué)家、生物學(xué)家、植物學(xué)家、考古學(xué)家和科幻小說(shuō)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(jì)串聯(lián)起來(lái)。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(shí)間里發(fā)明的蓋萊納探測(cè)器，并在1900年的《皇家學(xué)會(huì)講演》中進(jìn)行了演示。在這個(gè)裝置中，一對(duì)點(diǎn)觸頭(貓須)，在這種情況下是鎵，與電壓源和電流計(jì)串聯(lián)起來(lái)。這個(gè)裝置可以檢測(cè)任何一種輻射，赫茲波、光波和其他輻射。他把他的鎵點(diǎn)接觸探測(cè)器稱為人工視網(wǎng)膜(因?yàn)橥ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)陌才牛梢灾惶綔y(cè)光波)，是一種通用輻射計(jì)。Bose后來(lái)獲得了世界上第一個(gè)半導(dǎo)體設(shè)備的專利，即Galena探測(cè)器。在他的其他開(kāi)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(cè)器)與電話。

在1902年至1906年間，美國(guó)電話電報(bào)電氣工程師Greenleaf Whittier Pickard(1877-1956)測(cè)試了數(shù)千種礦物樣品，以評(píng)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(diǎn)接觸探測(cè)器(二極管)申請(qǐng)了"通過(guò)電波接收智能通信的手段"的美國(guó)專利，并于當(dāng)年11月獲得授權(quán)(見(jiàn)皮卡德的美國(guó)專利836531)。皮卡德與兩個(gè)合伙人成立了無(wú)線特種儀器公司，推銷(xiāo)"貓須"晶體無(wú)線電探測(cè)器。它可能是第一家制造和銷(xiāo)售硅半導(dǎo)體器件的公司。另一位美國(guó)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(diǎn)接觸探測(cè)器的系統(tǒng)專利。

Greenleaf Whittier Pickard

1915年美國(guó)物理學(xué)家曼森-本尼迪克斯發(fā)現(xiàn)鍺晶體可以用來(lái)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(gè)短名單。

1927年，美國(guó)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(guó)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(qǐng)專利，第二年在美國(guó)申請(qǐng)專利，描述了一種裝置，非常類似于MESFET晶體管，他稱之為當(dāng)時(shí)控制電流的方法和裝置(見(jiàn)Lilienfeld的美國(guó)專利1745175)。

Julius Edgar Lilienfeld

Julius Edgar Lilienfeld(1882-1963)是物理學(xué)和電子學(xué)領(lǐng)域的杰出人物。奧地利猶太人Lilienfeld出生于奧匈帝國(guó)的Lemberg(現(xiàn)在叫烏克蘭的Lviv)。他接受過(guò)教育(物理學(xué)博士)，并在德國(guó)生活到20世紀(jì)20年代中期，當(dāng)時(shí)他決定移民到美國(guó)。除了上述第一個(gè)晶體管的專利外，他還是該領(lǐng)域其他幾項(xiàng)專利的持有者--1928年美國(guó)專利1900018"控制電流的裝置"，用于薄膜MOSFET晶體管;1928年美國(guó)專利1877140"電流放大器"，用于控制電流流動(dòng)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(guó)專利2013564"電解電容器"，用于第一個(gè)電解電容器。當(dāng)Brattain、Bardeen和Shockley試圖為他們的晶體管申請(qǐng)專利時(shí)，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(guó)科學(xué)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(qǐng)了德國(guó)專利，描述了用電場(chǎng)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(jìn)"。1935年，海爾為他的裝置獲得了英國(guó)、比利時(shí)和法國(guó)的專利。

Britsh專利圖

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

然而在1947年，同樣是Brattain，這次他和John Bardeen一起發(fā)明了點(diǎn)接觸晶體管(由鍺制成)。威廉-肖克利(團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人)當(dāng)時(shí)不在現(xiàn)場(chǎng)，沒(méi)有得到發(fā)明的功勞，這讓他非常生氣。這也就罷了。點(diǎn)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(qǐng)，專利于1950年10月3日頒發(fā)。

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

John Bardeen(1908-1991)、William Bradford Shockley(1910-1989)和Walter Houser Brattain(1902-1987)，(見(jiàn)下圖)在1956年分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，"以表彰他們對(duì)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(jì)使它可以作為一個(gè)放大器或開(kāi)關(guān)。晶體管的設(shè)計(jì)使它可以作為一個(gè)放大器或開(kāi)關(guān)來(lái)使用，這是通過(guò)使用少量的電力來(lái)控制一個(gè)大得多的電力供應(yīng)的柵極來(lái)實(shí)現(xiàn)的，就像轉(zhuǎn)動(dòng)閥門(mén)來(lái)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。基座是較大電力供應(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(guò)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(guò)柵極的電流量。通過(guò)這種方式，可以用非常小的電流來(lái)控制大量的電流，就像在放大器中一樣。同樣的過(guò)程用于創(chuàng)建數(shù)字處理器的二進(jìn)制代碼，但在這種情況下，需要一個(gè)五伏的電壓閾值來(lái)打開(kāi)集電極柵極。這樣一來(lái)，晶體管就被用作一個(gè)具有二進(jìn)制功能的開(kāi)關(guān)：五伏-開(kāi)，小于五伏-關(guān)。