不能错过的精彩，晶体管发展简史

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　　60多年前，贝尔实验室（Bell Labs）的科学家为全世界带来了一项20世纪最伟大的发明——第一个实际意义的晶体管！

　　虽然很难说清电子时代是何时开始的，但业界都公认是英国人William Sturgeon在1825年对电磁石的发展为Joseph Henry在1830年成功发明粗糙的电报机播下种子，这是世界上第一个用于远距离（超过1英里）通信的电气系统。14年后的1844年，美国发明家Samuel Morse使用电报机在华盛顿特区和巴尔的摩之间超过40英里的距离内成功发送信息。

贝尔实验室的“晶体管”发明纸镇

　　当时电信技术十分不发达，但是它的需求却快速增长。1851年，西联汇款（Western Union）投入运营。在同一个十年内，Cyrus Field使用一根易碎的电缆连接了新旧世界，不过这根电缆在第一则信息发送出去后就中断了3个星期。然而之后的努力却获得了成功。于是这种可以瞬间实现通讯的技术逐渐不再神秘。

　　亚历山大·格雷汉姆·贝尔（Alexander Graham Bell）在1875年发明电话已经家喻户晓，但是直到托马斯·爱迪生（Thomas Edison）在两年后发明碳精麦克风（carbon microphone），电话的实际作用才日益凸现。因为可以通过一包炭粒来调整说话者的声音、改变电路的电阻，所以才能将信号传送给接收器。

　　在这之后又涌现出许多关于无线传输的发明创意，Guglielmo Marconi在1896年的专利和后续实证中都有所整理和反映。与电话和电报一样，早期的无线电通信都没有采用CPU、晶体管、电子管。Marconi在许多同行，尤其是再Nikola Tesla的研究基础上，使用高电压和火花隙将电磁波引入电圈或天线中。当时的信号十分嘈杂，不可能达到现在的标准，并且会干扰所有的频谱……但至少它可以使用了。实际上，泰坦尼克号上著名的SOS求救信号就是通过马可尼无线电报公司（Marconi Wireless Telegraph Company）的5KW火花隙发送出去的。

　　当时所用的电路都只是与电有关，还不能算真正的电子电路。

　　不过因为无线电信号十分粗糙、使用范围很有限、距离不断拉长而导致电话信号逐渐减弱。整个世界极度需要一种可以控制新兴电子产品电流的设备。大约就在此时，英国物理学家和工程师Ambrose Fleming实现了真空管中的强电流，爱迪生无意中发现可以改变交流电，这对于探测无线电波十分有利。后来Ambrose Fleming发明了第一支简单的真空二极管，但因为电流所需的灯丝和整体造价十分昂贵而没有取得很大的商业成功。

　　在20世纪的第一个十年内，美国发明家Lee de Forest在真空二极管的正负极之间插入了一个电子管，这种新的控制元件可以让电路产生放大、振荡、开关的效果。这是电子学中的基本操作。工程师可以使用这种电子管来制造具备超强感应能力的无线电、用上万英里的电缆来发送声音信号、仅用几微秒就可以在“0”和“1”之间切换。在第一次世界大战的四年间，西部电力（Western Electric）为美军生产了50万支电子管。在1918年，美国一年内就制造了100多万支电子管，这已经是战前的50多倍。

　　20世纪50年代，德州仪器的Gordon Teal（左）还在贝尔实验室工作。另一位是著名物理化学家Morgan Sparks。他们成功合作从锗晶体中研制出了世界上第一个可使用的结式晶体管。

　　电子学诞生

　　电子学被定义为“与真空管、气态媒介和半导体中的电子流动有关的设备与系统的开发与应用的科学”，这个定义几乎是与电子管的发明同时出现的。但是这个定义并不完善。我认为电气与电子电路之间的区别是，后者使用了“有源”元素与元件可以进行调整、开关、放大。第一个真正意义的有源元件可能是触须线晶体，一点弹力线接触到作为原始二极管的方铅矿厚块原料。我找不到任何有关起源的材料，但是看起来在Fleming进行先驱真空管研究之前，这些晶体就已经出现了。更讽刺的是，比电子管更早出现的第一个有源元件居然是半导体，但是在半个世纪之后人们才“发现”半导体。

　　起初无线电只用了几支电子管，但不久之后高端设备就使用了十多支电子管。在20世纪60年代末期我就有一个40年代军用剩余的RBC无线电接收器，当中就使用了19支电子管。据说在40年代时它的价格是2400美元（超过现在的3.3万美元）。

　　不断提升的性能迫使科学家要开发出更多有特色、有速度、功能更丰富的产品，这点与现在的情况一样。第二次世纪大战时发明的雷达就需要大量的有源电子元件。有些雷达会使用数百支电子管。也许真空管技术最成功的运用就是1946年发明的电子数字积分计算机（ENIAC），它使用了1.8万支电子管，但是每隔一天就会出现故障。显然，数字技术的到来将电子管的应用推到了极限。人们需要工作时产生的热量更低、功耗大为下降并且更可靠的有源元件新品。

　　1947年，Walter Brattain和John Bardeen发明了晶体管。Johun Bardeen还与William Shockley在1956年因为在相关的半导体研究中取得巨大成就而获得诺贝尔奖。尽管有人说这才是“实用的”半导体，但是贝尔实验室的科学家已经制造出了点接触型晶体管，这是一种难以制造的设备，现在已经不再使用，并且当时也没有得到广泛应用。

　　
　　这是1947年在贝尔实验室装备的第一支晶体管。

　　大约在1950年，Raytheon制造了业界第一个商用的晶体管装置“CK703”。当时的价格是18美元（比现在通货膨胀的147美元还贵），这种简单的装置并不能与当时才0.75美元的真空管竞争。尽管人们急于把点接触型晶体管制造成理想的有源元件，不过也需要一些更好的设备。

　　William Shockley继续进行自己的半导体研究，在1948年他获得了现代结式晶体管的专利。三年后，贝尔实验室展示了零件编号为M1752的晶体管元件，不过很明显那只是以原形数量生产的。

　　后来现代晶体管诞生。虽然它没有立即让电子学行业产生革命性的变化，但是它与电子管的关系依然密切。直到1956年日本发明了世界上第一台全晶体管计算机ETL Mark3，它使用了130个点接触式晶体管，但是其实用性很低且不适宜销售。次年，IBM开始销售使用了3000支锗晶体管的608计算机，这是世界上第一个投入商用的计算机。与使用电子管的计算机相比，IBM 608计算机的功耗要低90%，它的时钟频率是100KHz，支持9条指令，两个9位BCD数的平均乘法运算时间仅有11毫秒，它拥有40字的核心存储，重量高达2400磅（约1090kg）。

　　
　　1950年，贝尔实验室制造出世界上第一个锗结式晶体管。

　　电话行业对放大器的需求加速了真空管的发展，因此科学界竞相使用半导体技术也就不足为奇了。在1952年时，贝尔电话实验研究所在美国新泽西安装了首部使用晶体管的中央办公设备——这个设备再次使用了点接触式晶体管。

　　Alexander Graham Bell创办了Ma Bell公司。他起初从事聋人教师的工作，后来他也一直把为听力有障碍的人服务当成自己的终生事业。贝尔公司大约在1953年放弃了第一个晶体管消费产品——助听器的专利权使用费。

　　老人们也许还记得Raytheon的CK-722，它属于第一批投入商业应用的结式晶体管。它于1953年上市，价格是7美元，这在当时来说已经非常昂贵了。我记得20世纪60年代在radio Shack（美国电器零售商）购买的许多晶体管中就有CK722，估计是很多工厂都给予支持，不过现在我已经不记得它们的价格了。

　　
　　这是1954年由西部电力研制的2N23晶体管。

　　1955年底，同种零部件的价格跌至0.99美元。当时还没有发现摩尔定律，但是新的半导体技术促使电子元件的价格开始无情地下降。

　　Regency Electronics在1954年制造出了第一支商用晶体管收音机（名为TR-1）。正在为自己的新型晶体管寻找市场的德州仪器（TI）被大多数美国国内的收音机制造商拒之门外，唯一接受TI的就是Regency。当时的新闻稿报道说TR-1所用的元件是“n-p-n”生长结，也就是“锗三极真空管”，它使用了三支元件真空管。

　　在上世纪60年代，消费者都很十分喜欢那些小型的收音机（1959年售出的1000万部收音机中有一半使用了晶体管）。当时的商人就像现在的商人一样，热切地希望自己的产品可以与众不同，因此都通过宣传晶体管数量来提高销售。尽管至少有一家供应商试图制造只有2支晶体管的收音机，并且使用8支晶体管以上的收音机也很少，但是常常会有多达16支的晶体管被焊接在电路板上，当然，其中大部分是未连接的。这有些类似于现在的“GB之战”。有多少iPod用户会用得完自己的40GB硬盘呢？

　　如今，独立晶体管看起来就像一个时代错误，尽管它仍然还在许多广泛需要的行业中应用。价格范围从零到应用于某些领域的特殊部件的几十美元不等。与值得尊敬的CK-722相比，相同尺寸的IC采用了数亿个晶体管，每一个晶体管的造价才几美分。

　　颇为讽刺的是，一些困扰真空管、并几乎导致真空管死亡的问题也出现在晶体管的产品中。1946年，全世界计算机所消耗的能量大约是几百千瓦。如今单台服务器的功耗到需要好几兆瓦。2005年时，全球服务器所需的能耗相当于14座十亿瓦特发电站所生产的能量。而Google设在美国俄勒冈州达勒斯市的数据中心就建了一座四层楼高的冷却塔。

　　晶体管现在有很多种类，其中场效应晶体管（field-effect transistor，FET）最为重要。1960年，John Atalla在Shockley的研究基础上发明了场效应晶体管，这是一个新鲜的事物。RCA（美国无线电公司）推出了使用FET的逻辑芯片，但是因为速度很慢，所以仅限于在某些低功耗应用的特殊领域里使用。每个人都知道这种技术永远也取代不了更为有用的结式晶体管。

　　当然，现在FET是数字革命的技术。速度的问题已经解决，超低功耗要求也使得在单片IC上集成数百万个晶体管成为可能。

　　一个三极电子管收音机不会产生很多热量，但是在一台计算机中集成1.8万个晶体管，空气调节装置就会出现大问题。这对于所有种类的晶体管来说都存在这个问题：单个IC上的数亿个超低功率FET会因为过热而有损坏。因此讽刺的事再次出现，供应商正在使用多核心之类的技术来获得更好的MIP/毫瓦比率。

　　同时，摩尔斯式电码使第一个真正的电子系统——电报机更为完善。Rudolf Clausius整理了热力学第二法典的基本理念，并折磨着整个电子学的历史。多核心也许是、也许不是今天MIPs/毫瓦问题的解决方案，但是把大量低功耗CPU集成到单核心上以及Clasius定律再次揭示了问题的本质。我猜想，低熵技术将在晶体管诞生100周年纪念之前就会被发明出来，而这也将解决长久困扰业界的热调节问题。

　　晶体管诞生25周年时发行的首日封

　　◎晶体管电子学的发展里程碑（摘自《贝尔实验室》杂志，1975年1月，P74）

　　1948 - 点接触式晶体管

　　1950 - 单晶锗

　　1951 - 生长结晶体管

　　1952 - 合金结晶体管

　　1952 - 区域熔化和提炼

　　1952 - 单晶硅片

　　1955 - 扩散底层晶体管

　　1957 - 氧化物掩蔽

　　1960 - 平面型晶体管

　　1960 - 金属氧化物半导体晶体管

　　1960 - 外延型晶体管

　　1961 - 集成电路

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