第一块晶体管背后的故事（《计算机发展时间线》番外）| 跟陶叔学编程

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导读


编者按：我在写《一篇读罢头飞雪：计算机发展时间线（中）》时对晶体管的发展历史查找到了一些资料，这些资料都各有所长，帮助我有了更完整的了解。这些资料所讲的发展历程相互印证补充能形成一段有趣的历史，可惜在正文中不能完全放入。再加上我对技术原理的理解与对材料的整理，就写成了这一篇番外。注：风云之声内容可以通过语音播放啦！读者们可下载讯飞有声APP，听公众号，查找“风云之声”，即可在线收听~

　　1947年12月23日，在贝尔实验室，一块三角形塑料片、一条金箔、一个回形针制成的弹簧和一片放在铜板上方的薄锗半导体材料被组合在一起，当今世界上最重要的电子元器件“晶体管”就这样诞生了。

贝尔实验室发明的第一支晶体管（点接触晶体管）

　　这是人类历史非常值得铭记的一天，从这一天开始，电子元器件才能越来越小越稳定，具备了快速发展的基础。要理解它的历史意义，我们需要先从电子管说起。

爱大王和他的哼哈二将

　　1883年，美国发明大王托马斯·爱迪生（Thomas Alva Edison，1847年2月11日—1931年10月18日）正在为寻找电灯泡最佳灯丝材料，做过一个小小的实验。他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝，希望铜丝能阻止碳丝蒸发。虽然失败了，但他无意中发现，没有连接在电路里的铜丝，却意外地用电流表检测出了金属片中的微弱电流。这在当时是匪夷所思的，难不成电流从空中飞渡了吗？他进一步实验，发现只有当金属片与电源的正极相连时才会产生电流，反之则不会。爱迪生不明白这是什么原理，也没想过可以怎样应用，但依然申请了专利，这种现象因而被称为爱迪生效应（Edison effect）。爱迪生并没有料到，自己的无意之举打开了电子学的大门。

爱大王及其发现爱迪生效应的灯泡

　　1884年的一天，一位叫约翰·弗莱明（John Ambrose Fleming，1864年11月29日—1945年4月18日）的英国发明家，远涉重洋来到美国，拜会了他慕名已久的爱迪生。就在这两位大发明家的会见中，爱迪生再次展示了爱迪生效应。遗憾的是，由于当时技术条件的限制，不论是爱迪生还是弗莱明，都对这一效应一问二不知：一是不知道原理是什么，二是不知道能用来干点啥。

　　1897年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生（Joseph John Thomson，1856年—1940年）发现了电子。用电子来解释，爱迪生效应的原理是电子从加热的灯丝表面逃逸，被金属片捕获的结果。当金属片连接电源负极，因为电子带负电，同性相斥，便不会接收来自灯丝的电子。爱迪生效应因此有了一个更专业的名称——热电子发射（Thermionic emission）。

约瑟夫·汤姆生

　　原理找到了，能用来干点啥呢？它的舞台马上要出现了。

　　1901年，意大利发明家伽利尔摩·马可尼（Guglielmo Marconi，1874年4月25日—1937年7月20日）发射的无线电信息成功地穿越大西洋，从英格兰传到加拿大的纽芬兰省。

1901年，马可尼演示无线电设备（摆拍很有忧郁气质）

这次实验是无线电从实验室走向商业化的标志性事件，也是马可尼为自己的无线电公司打的一个非常成功的广告。从此，他在英国伦敦成立的“马可尼无线电报公司”一鸣惊人，赚得盆满钵满。而马可尼无线电报公司此时有一个员工却并不满意，他就是前面出现过的弗莱明。马可尼跨越大西洋的秀，用的发射机和发电机组是弗莱明设计的。但是功劳都是老板的，弗莱明心里当然不舒服。而且老板既没有给奖金，也没有给股份，据说是马可尼答应过他的，但是后来给忘了。弗莱明愤然离开，开始搞起了自己的事业。

　　1904年，弗莱明利用爱迪生效应，发明了真空二极管。真空二极管，顾名思义就是一个抽成真空的玻璃管。结构和爱迪生的灯泡类似，内部封装两个电极，一个用灯丝加热，一个是冷的金属片。热的电极称为阴极（Cathode），冷的称为阳极（Anode）。当阴极与电源负极相连、阳极与电源正极相连时，电子从灯丝跑到金属片，二极管导通，表现为没有电阻的导线；反之，二极管不通，表现为一个没有合上的开关。所以二极管起到的作用就是单向阀门，也叫做“弗莱明阀门”。由于这样单向导通的特性，二极管正好可以用作无线电的检波器。

弗莱明及其电子二极管

　　那么二极管为什么能实现检波呢？无线电波就是电磁振荡。天线接收到无线电信号，产生感应电流。但是无线电频率很高，一秒钟振荡几十万次以上。感应电流总是正负正负高速来回折腾，一正一负平均下来就是0，耳机里就什么也听不到。利用二极管的单向导电性，裁掉其中的一半。要么全要正的，要么全要负的，电流方向都一样，有劲往一个方向使，就能推动耳机了。这就是二极管检波器的原理。

检波器原理：砍掉正弦波的负半周，再过滤掉高频，获取包络音频

1921年美国出品电子管检波器

　　1906年，美国发明家李·德福雷斯特（Lee de Forest，1873年—1961年）突然间脑洞大开，在二极管的灯丝和金属片阴阳两极之间增加一个电极——一根波浪形的金属丝（后来金属丝被改成金属网），称为栅极（Grid），加上原来的阴极、阳极，真空玻璃管内就有了三极。就这样他发明了电子三极管。

德福雷斯特及其三极管

德弗雷斯特惊讶地发现，波浪形金属丝装入真空管内之后，只要把一个微弱的变化电压加在它之上，就能在阳极接收到更大的变化电流，而且变化频率完全一致——德弗雷斯特发现的正是三极管的“放大”作用。但是当时的人们并没有马上认识到三极管具有的重大意义，把它当作一个“毫无价值的玻璃管”。为了证明自己的发明有用，德弗雷斯特坚持不懈地设计着各种试验。

　　1912年，德弗雷斯特来到加利福尼亚旧金山附近的帕洛阿托小镇。在爱默生大街913号小木屋，德弗雷斯特把若干个三极管级连起来，即上一个三极管的输出作为下一个的输入，再把电话机话筒接入第一个三极管的栅级，最后一个三极管的阳极与耳机相连。当他把自己的手表放在话筒前方时，手表的“滴哒”声几乎把戴着耳机的耳朵震聋。成功了！三极管可以用作通信中的电信号放大器。帕洛阿托市的德弗雷斯特故居，至今依然矗立着一块小小的纪念牌，以市政府名义书写着一行文字：“李·德弗雷斯特在此发现了电子管的放大作用。”用来纪念这项伟大发明为新兴电子工业所奠定的基础。这个城市，如今已成长为全球闻名的硅谷。

　　作为电信号放大器，三极管不管对于无线电通信还是长途有线电话通信都有极大的价值。经过一番谈判，最终德福雷斯特于1913年7月把他的真空三极管专利以39万美元的价格卖给了美国电话电报公司（AT&T）。而AT&T正是认识到电子管这类基础研究对于产业发展的重要作用，于1925 年成立了“贝尔电话实验室公司”（后改名为贝尔实验室）。

　　许多人将三极管的发明看作电子工业真正的起点。这是因为三极管是放大电路的基础。我们在中学学过的电路元件三巨头：电阻、电容、电感都是二端器件，输入端输出端无法分开，必须共享负载。单纯使用这些元件只能组合出分压或是分流电路，无法放大一个信号。二极管也只是一个有源开关，并不能放大信号。而有了三极管，输出端与输入端得以分开，可以通过输入端控制输出端信号。再给输入端和输出端分配不同大小的负载，就可以实现大于1的增益。三极管为电子器件与电路的设计开创了一条新路！

　　三极管除应用于电话放大器、海上和空中通信外，也广泛应用于家庭娱乐领域，将新闻、教育节目、文艺和音乐播送到千家万户。三极管的问世，推动了电子通信产业的蓬勃发展。

　　除了在通信领域的应用，让电子管大显身手的另一领域是计算机制造。在使用电子管之前，实现计算机的运算逻辑使用的器件分别是机械的和电磁的。具有通断两种状态的电子管和电磁继电器作用类似，但继电器中衔铁的摆动是机械的，而电子管的通断几近光速。如果使用电子管组成开关电路，进而实现逻辑门，以此为基础元件建造的计算机不就可以拥有空前的运算速度了吗？显然，用电子管建造计算机在理论上是完全可行的。下图给出了一种用电子二极管和三极管构建的与、或、非门电路，用相对的高电压表示1、相对的低电压表示0。

与门（左）、或门（中）、非门（右）

• 与门由两个二极管组成，输入端X和Y与两者阴极相连，输出端Z与两者阳极相连并施以高电压。给X和Y任意一者施加低电压时，对应的二极管导通，Z也便处于低压；给X和Y同时施加高电压时，两个二极管都不通，Z便保留了高压。

• 或门也由两个二极管组成，输入端X和Y与两者阳极相连，输出端Z与两者阴极相连并施以低电压。给X和Y任意一者施加高电压时，对应的二极管导通，Z也便处于高压；给X和Y同时施加低电压时，两个二极管都不通，Z便保留了低压。

• 非门由单个三极管实现，输入端X与其栅极相连，输出端Z与其阳极相连并施以高电压。给X施加高电压时，三极管导通，Z便获得了阴极的低电压；给X施加比阴极更低的低电压时，三极管不通，Z便保留了高压。

　　1940年，第一台电子计算机由美国爱荷华州立大学数学和物理学教授约翰·阿塔纳索夫（John Vincent Atanasoff，1903年—1995年）和他的学生福德·贝里（Clifford Berry，1918年—1963年）共同设计建造完成。机器命名为阿塔纳索夫—贝里计算机（Atanasoff–Berry computer），简称ABC。这台机器有数百个电子管，以鼓状电容器来存储数字。

约翰·阿塔纳索夫

　　ABC使用了二进制加法器（减法通过二进制补码转换为加法），每个单数位加法器由14个三极管（7个双三极管）组成。机器工作时，站在一旁的操作人员能明显感觉到它们的热量。

　　1946年2月14日晚上，电子管计算机的巅峰之作、大名鼎鼎的ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer，电子数字积分器与计算机）正式亮相，并于次日交付。它的最终造价是48.7万美元，相当于今天的700多万美元。诞生于一个浪漫日子的ENIAC是一个庞然大物，重达27吨，总长约30米，高约4米，厚约0.9米，占地约167平米，需要布置在一个很大的房间。这台电子巨兽体内大约包含着18000个电子管、70000个电阻、10000个电容和1500个继电器，以及500万个焊接点，每小时吞掉150kW电量。功耗之大，一度传出夸张的谣言：ENIAC一启动，整个费城的灯光都要暗下一截。

ENIAC在莫尔学院

　　起初，ENIAC的可靠性非常糟糕，每天都会烧坏几个电子管，机器几乎只有一半时间能正常工作，剩下的一半时间都在寻找和替换这些罢工的电子管。不多久，工程师们发现电子管子在工作期间的可靠性其实还可以，只是在加热和冷却阶段容易坏。而使用时为了节省能源和值班人力，每天夜里都会关机，却不料拣了芝麻丢了西瓜。保持常开后，ENIAC的可靠性大幅提升，平均每两天才有1个电子管失效，并且只要15分钟就能找到它。ENIAC持续运行时间最长的一次是在1954年，它一口气跑了116个小时，接近5天。

　　正是因为电子管的应用领域非常广泛，到1960年前后，电子管年产量达到历史顶点，为年产10亿只。但是电子管有着与生俱来的缺点，体积大、能耗高、可靠性差，而且价格还很昂贵。针对这些缺点，众多科学家不断努力，试图加以改进。但是他们最后都不得不承认，电子管的缺点无法从根本上加以解决，必须用新的材料来替换电子管，否则电子产业发展必将陷入瓶颈。

神奇的矿石

　　全村人的希望最后落到了一个比二极管更早出现的古董发明身上。这项发明就是矿石检波器。矿石检波器是由英属印度（今孟加拉国）科学家贾格迪什·钱德拉·博斯（Jagadish Chandra Bose，1858年11月30日—1937年11月23日）在1894年发明的。

贾格迪什·钱德拉·博斯

　　矿石检波器一般是用方铅矿或者黄铁矿来作为核心部件。找一小块矿石，然后用针扎到矿石上，矿石本身就能完成检波的作用。神奇的是，使用矿石检波器的无线电接收机，不需要电源就可以使用。下图是美军早期生产的BC-14A型军用无线电接收机，在一战时大量使用。

美军BC-14A型军用接收机，右图中心位置是矿石检波器

再来两张矿石检波器高清无码大图

　　而使用矿石检波器的收音机也因为简单便宜而受到欢迎，1923年美国人在上海创办中国无线电公司，播送广播节目同时出售收音机，种类最多的就是矿石收音机。

1923年，美国人在中国销售的第一台矿石收音机

　　实际上，矿石检波器起到的作用和真空二极管是相同的，但是内部原理和真空管完全不同。真空管要用灯丝加热阴极，假如灯丝烧坏了，管子也就坏了。容易坏，而且又贵。矿石检波器的好处是结构简单，使用时不需要通电也不用加热，经久耐用。但是矿石检波器的调试却是一门玄学。工程师要不断的寻找探针接触的位置。针扎在哪里效果最好，这全靠人一点一点去测试，一凭感觉二凭运气。因此矿石检波器的品控非常难，而且在使用时万一探针松动了移位了，就麻烦了。

　　矿石为什么能起到检波的作用，这并不是玄学，而是因为它实际上是个天然半导体，矿石检波器就是对半导体独特导电性能的一种简单应用。半导体是指一种导电性可控，范围从绝缘体到导体之间的材料。半导体的发现又是一个long long ago的故事。

　　1833年，“电子学之父”英国大帅哥物理学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday，1791年9月22日—1867年8月25日就是那个电容的单位法拉）发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属：一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但法拉第发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。

迈克尔·法拉第（How old are you? 怎么老是你？）

　　1874年，德国物理学家卡尔·布劳恩（Karl Ferdinand Braun，1850年6月6日—1918年4月20日）观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应。（1909年，因为对无线电报的改进，布劳恩同马可尼分享了诺贝尔物理学奖。为什么法拉第这么伟大的物理学家没有得奖？因为诺贝尔在法拉第发现半导体那年才出生。“我生君未生，君生我已老。我恨君生迟，君恨我生早”）

卡尔·布劳恩（他跟另一个德国人卡尔一样大胡子）

　　矿石检波器就是对半导体整流效应的应用（方铅矿就是一种硫化物）。天线收集到的无线电信号在它两端是正向电压时，它是导通的，电流可以通过；相反时，它就不通电。这样就完成了检波。这实现的作用跟真空二极管是一样一样的。而矿石检波器的品控困难是由于所用的天然方铅矿石纯度不高，性质不均衡造成的。在提纯技术进步并改用锗或硅晶体以后，品控问题也就逐渐解决了。因为矿石检波器的作用与二极管完全一样，科学家就开始动脑筋用它来代替真空二极管，方法就是把矿石检波器用一个外皮封装起来。这就是点接触二极管（俗称猫胡子检波器），是最早的半导体器件。

左图是两种矿石检波器，右上图是点接触二极管内部结构，右下图是封装完成的二极管

经典点接触二极管2AP9

　　从1907年到1927年，美国的物理学家陆续研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器，并在二战期间在雷达中得到使用。但是在前面说了，三极管才是电子工业的灵魂，只有半导体二极管没有半导体三极管，就没有放大功能，是不能完成对电子管的升级换代的。许多科学家开始投入到半导体三极管的研究之中。

　　首先到来的是坏消息，一些尝试没有成功。

　　1922年，苏联科学家奥列弗拉基·洛谢夫（Oleg Vladimirovich Losev）利用红锌矿二极管的负阻抗特性成功实现了一个放大电路，可是由于红锌矿的稀少而没有实用化。据说后来洛谢夫曾进行过硅晶体管的研究，但是随后二战爆发，他死于列宁格勒围城战中，相关的研究记录也全部丢失了。（洛谢夫还曾在1927年独立制作了世界上第一颗LED，其研究成果曾先后在俄国、德国和英国的科学杂志上发表，但是当时并没有引起重视。关于洛谢夫的资料太少了！）

奥列弗拉基·洛谢夫

　　洛谢夫的思路是用特殊的二极管实现放大功能来代替三极管，这是属于半导体器件发展中的旁门左道。主流的思路还是参考真空二极管与三极管的演进路线，想在半导体整流器内增加一个栅极，从而实现半导体三极管。但是该怎样做呢？

　　1925年，加拿大的利连费尔德（Julius Edgar Lilienfeld ）第一个提出了场效应管的设计理念，在半导体材料上实现类似电子管的功能，并于1929年取得专利。受限于当时的工艺水平，这个想法一直没有实现。

　　1938年，德国的希尔胥（R.Hilsch）和波尔（R.W.Pohl）在一片溴化钾晶体内成功地安放了一个栅极。可惜，他们的“三极管”工作频率极低，只能对周期长达1秒以上的信号起作用。

　　1939年和1940年间，美国贝尔实验室工作的布拉顿（Walter H. Brattain）和贝克尔（J.A.Becker）也曾多次探寻实现固体三极管的可能性，都以失败告终。

　　但是，接着还有好消息，牛粪有的是！不是，是在半导体理论上取得了突破！

　　1928年，德国物理学家、量子力学创始人之一马克斯·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858年4月23日—1947年10月4日，就是那个普朗克常数）在应用量子力学研究金属导电问题中，提出固体能带理论。根据能带论，在外电场作用下，半导体导电分为“空穴”参与的导电（即P型导电）和电子参与的导电（即N型导电）。半导体的许多奇异特性正是由“空穴”和电子所共同决定的。能带论第一次科学地阐明了固体为什么可按导电能力的强弱，分为绝缘体、导体、半导体。

马克斯·普朗克（你能相信这样一个小鲜肉，后来长成了秃顶大叔吗？）

　　1931年，英国物理学家查尔斯·威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson，1869年2月14日—1959年11月15日）在能带理论的基础上，提出半导体的物理模型。他认为，由于半导体自身存在的晶体缺陷和杂质原子，使得半导体具有两种导电类型：一种是“杂质导电”，另一种是“本征导电”。按照这两种导电机理，因为本征导电则是固定不变，杂质导电随样品而异，半导体所有变化多端的性能，都是由杂质导电机理决定的。威尔逊模型相当完好地说明了与体内性质有关的半导体的行为特征，它奠定了半导体学科的理论基础。

查尔斯·威尔逊（其实他的长相比普朗克后来还要强点）

　　1939年，苏联物理学家А.С.达维多夫（А.С.Давыдов，关于达维多夫的资料太少了！）、英国物理学家内维尔·莫特（Nevill Francis Mott，1905年9月30日—1996年8月8日）、德国物理学家华特‧肖特基（Walter Hermann Schottky，1886年7月23日—1976年3月4日）各自独立地提出了解释金属—半导体接触整流作用的理论。达维多夫首先认识到半导体中少数载流子的作用，而肖特基和莫特提出了著名的“扩散理论”。

内维尔·莫特

华特‧肖特基（这经典的小胡子，差点把他认成元首）

　　就这样，能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关联逐步发展起来的半导体理论模型，便大体上构成了确立晶体管这一技术发明目标的理论背景。

　　上面的理论没有单独介绍，因为把它们组合起来解释半导体二极管更容易一些。简单一点说就是半导体分成两种：N型半导体（N为Negative的字头，由于电子带负电荷而得此名）和P型半导体（P为Positive的字头，由于空穴带正电而得此名），这是因为它们所含杂质不同而造成的物理特性不同。N型半导体中含自由电子浓度较高，有机会就想往外跑。而P型半导体恰恰相反，含“空穴”（需要电子来补充的空位）浓度较高，总想诱拐别人家的电子。

　　半导体二极管就是由一块N型半导体与P型半导体紧密接触结合在一起制成的。在没有外在电压激励的情况下，N区的自由电子就迫不及待地往P区跑，占据了交界区域的空穴，这叫电子的扩散运动。这样P区临近交界面的区域获得了多余的电子，轻微地带上了负电。同样的，N区临近交界面的区域因为失去了电子，轻微地带上了正电。带正电的区域反过来又会吸引P区电子跑回N区，这样反复互相撕扯就会让电子在P区与N区交界面的临近区域达到平衡，从而最终阻止N区电子向P区扩散。这个P区与N区交界面的临近区域就称为PN结，因为它耗尽了空间电荷的活力，造成了它们的平衡，也称为耗尽区。

　　如果给二极管的N区接电源正极，P区接负极。N区的电子被电源正极吸引，使得PN结N区部分带的正电越来越高，同样的PN结P区部分带的负电也越来越高，耗尽区会随之变宽，进一步阻止电子扩散运动，只有电流很小的反向漏电流，这就是截止状态。反之，把P区接正电，N区接负电，N区电子会在电源负极的逼迫下压缩耗尽区空间，直到压到最薄的时候一举越过边界形成扩散电流，这时候就是导通状态。需要注意的是，截止状态施加电压超过一定额度时，二极管会反向导通，称为击穿。击穿也是一种有用的物理特性。但是通过电流不能太大，过热就会使二极管烧毁，不能恢复原有性能。

　　再回到矿石检波器也就是点接触二极管的情况，使用的矿石或者半导体晶片都属于N型半导体含自由电子浓度较高，而金属触针自由电子浓度低，所以电子便从半导体向触针中扩散。随着电子不断扩散，半导体与触针接触面电子浓度逐渐降低，同样轻微带上正电，开始吸引金属触针电子回流，最终达到相对的平衡，在金属触针与半导体接触表面一定范围形成了耗尽区（这里就不能叫PN结了，叫金属—半导体结）。

　　因为点接触二极管的耗尽区特别稀薄，很小的电压就能让其导通，这也就是为什么矿石收音机不用电源就可以接收无线电信号的原因。肖特基从自己给出的解释金属—半导体接触整流作用的理论出发，发明了多种金属—半导体二极管（如金属与半导体面接触二极管），所以包括点接触二极管在内的所有金属—半导体二极管被称为肖特基二极管。

　　好了，我们终于搞清楚了半导体二极管的原理，真是好嗨森！但是，还是那个问题，半导体三极管该怎么搞？一翻两瞪眼，只能等着神人出场。

三位大神

　　大家还记得德福雷斯特把他的真空三极管专利卖给谁了吗？AT&T。卖了多少钱？39万美元。有人说德福雷斯特不会做生意，卖便宜了。帮帮忙好伐？1913年的39万美元，赶得上现在的上千万美元了。当然了，AT&T用三极管赚的钱更多。不说这些了。AT&T旗下的贝尔实验室依靠母公司的财大气粗，一直在基础研究领域不计成本地积极探索。这其中既包括了对电子管的改进，也包括了对半导体器件的创新。

　　1935年后贝尔实验室的一批科学家转向研究硅与锗材料。1940年，用真空熔炼方法拉制出多晶硅棒并且掌握了掺入Ⅲ、Ⅴ族杂质元素来制造P型和N型多晶硅的技术。在硅和锗的提纯上取得进展并研究成功生长大单晶锗的工艺。还用生长过程中掺杂的方法制造出第一个硅的PN结，发现了硅中杂质元素的分凝现象，以及施主和受主杂质的补偿作用。

　　在这个过程中，实验室的研究总监默文·凯利（Mervin J. Kelly，1894年2月14日—1971年3月18日）刚开始并没有对半导体进行重视，因为他是搞真空管出身的，从1917年加入AT&T时他就是研究这个方向，他认为贝尔应该专注于真空管的研究。在20世纪30年代后期，凯利组织投入了数十万美元试图改善这些管子（德福雷斯特可能真会觉得卖便宜了），但实际上收效甚微。同时在二战中，他领导贝尔实验室和西方电气公司（AT&T制造部门）在雷达研发方面的工作，亲眼见证了半导体整流器让人艳羡的性能。之后他拨转马头，开始全面推动半导体器件的研究。

热爱真空管的默文·凯利却成了晶体管的接生婆

　　他有两项令人称道的功绩。一是发起了一场招募大学博士的计划，并亲自上门到各大学去挖墙脚。二是在战后他升任执行副总裁，于1945年组建了一个固态物理部门，专业主攻半导体三极管。

　　他的招募大学博士的计划吸引了不少的天才，其中之一就是1936年他亲自到麻省理工学院挖到的威廉.肖克利（William Shockley，1910年2月13日—1989年8月12日），后来他又指定肖克利负责固态物理部门。

威廉.肖克利

　　肖克利根据莫特—肖特基的整流理论，并且在自己的实验结果基础上，作出了重要的预言。他认为，假如半导体片的厚度与表面空间电荷区厚度相差不多，就有可能用垂直于表面的电场来调制薄膜的电阻率，从而使平行于表面的电流也受到调制。这就是所谓“场效应”。可是，当人们按照肖克利的理论设想进行实验时，却得不到明显的效果。

　　肖克利认识到自己在实验能力方面的不足，求助于部门成员约翰·巴丁（John Bardeen，1908年5月23日—1991年1月30日）和沃尔特·布拉顿（Walter H. Brattain，1902年2月10日—1987年10月13日）。巴丁是一位优秀的理论物理学家，他提出了半导体表面态理论，这才解决了卡住所有人的难题。原来，在外加电场的作用下，电子被吸引到半导体的表面并被束缚在那里，形成了严密的屏蔽作用。这就阻止了电场穿透到半导体内部，因而不能形成电流。这也是为什么肖克利在实验中，一直观测不到场效应的原因。

　　一个偶然的机会巴丁发现凝结在半导体表面的水滴可以破除屏蔽作用，于是他提出了一个新方案。他们用薄薄的一层石蜡封住金属针尖，再把针尖压进N型锗晶片表面，在针尖周围加一滴水，水与锗表面接触，带有蜡层的金属针同水是绝缘的。正如他们所预期的，加在水和锗之间的电压，会改变从锗流向针尖的电流。这一实验使他们第一次实现了功率放大。然而，这样的装置没有实用价值，因为水滴会很快被蒸发掉。

　　他们又想出一个好点子，在锗表面安置两个靠得非常近的触点，近到大约5×10^-3厘米的样子，这样既可以不让二者直接连通，又可以破除屏蔽作用。但最细的导线直径都要10×10^-3厘米，要安置这么近的触点几乎不可能。实验小能手布拉顿想出了一条妙计。他剪了一片三角形的塑料片，并在其狭窄而平坦的两条侧面上牢牢地粘上一条金箔。然后用刀片在三角形塑料片的顶端对金箔拉了一刀，把它割成两半（这样靠得非常近的触点就有了）。再用弹簧加压，把塑料片和金箔一起压在锗片上。于是，他们做成了世界上第一只半导体三极管放大器。在这值得庆祝的时刻，布拉顿按捺住内心的激动，仍然一丝不苟地在实验笔记中写道：“电压增益100，功率增益40，电流损失1/2.5……亲眼目睹并亲耳听闻音频的人有吉布尼、摩尔、巴丁、皮尔逊、肖克利、弗莱彻和包文。”在布拉顿的笔记上，皮尔逊、摩尔和肖克利等人分别签上了日期和他们的名字表示认同。这一天是1947年12月23日。在为这种器件命名时，布拉顿想到它的电阻变换特性，即它是靠一种从“低电阻输入”到“高电阻输出”的转移电流来工作的，于是取名为trans-resistor（转换电阻），后来缩写为transistor，中文译名就是晶体管。以上就是接触型晶体管诞生的经过。

　　我们再看一下本文的第一张图片，把它放大一下就可以看明白。

第一块晶体管组成说明

换个角度再看一下

　　在实验室里众人一片欢腾中，肖克利却情绪不高，何止是情绪不高他这心里恨啊！他以为离开他巴丁与布拉顿是搞不出来的，所以当天巴丁与布拉顿制作出晶体管时，他都没在现场，后来闻讯才赶过来见证了晶体管的放大效果。虽然他是部门领导，功劳有他一份，但这不是他的追求！好在他还有机会！因为他知道这样的接触型晶体管并不具有实用性。它同矿石检波器一样，利用触须接点，很不稳定，噪声大，频率低，放大功率小，性能还赶不上电子管，制作又很困难。还有机会，他要抓紧时间弄出一个更好的！

　　经过长时间反复思索与疯狂工作，肖克利极度紧张与疲劳的识海中突然一片空明，他进阶元婴了！不，他顿悟了：以往的研究之所以失败，根本原因在于人们不顾一切地盲目模仿真空三极管。这实际上走入了研究的误区。晶体管同电子管产生于完全不同的物理现象，这必然表明晶体管效应有其独特之处。明白了这一点，肖克利当即决定暂时放弃原来追求的场效应晶体管，集中精力实现另一个设想——晶体管的放大作用。正确的思想终于开出了最美的花朵。1948年11月，肖克利构思出更先进的结型晶体管，其结构像“三明治”夹心面包那样，把N型半导体夹在两层P型半导体之间。这是一个多么富有想象力的设计啊！可惜的是，由于当时技术条件的限制，研究和实验都十分困难。直到1950年，人们才成功地制造出第一个PNP结型晶体管。1948年，肖克利的论文《半导体中的P-N结和P-N结型晶体管的理论》发表于贝尔实验室内部刊物。1950年11月，肖克利发表《半导体中的电子和空穴》，以完整的理论阐述结型晶体管原理。

让我们牢记发明晶体管的三位大神：巴丁（左）、肖克利（中）、布拉顿（右）

　　让我们理解一下大神的思路，搞清PNP结型晶体管的原理。它分为三个极，第一个P端为E极（Emitter，发射极，对应电子三极管的灯丝即阴极），N端为B级（Base，基极，对应金属网即栅极），第二个P端为C极（Collector，收集极，对应金属片即阳极）。

我们在E极与B极之间施加一个电压（要超过材料本身的势垒电压，锗管约0.3V，硅管约0.7V），E极接电源正极，B极接负极。根据前面二极管的原理，此时E极到B极之间为导通状态，电子开始扩散。而当在B极与C极之间施加一个电压，B极接正极，C极接负极时。我们知道此时应该是截止状态，但是当电压足够大，而且因为E极与B极之间电流的激励，B极与C极之间就会击穿，形成反向导通，从而实现了放大功能。（注：这只是NPN晶体管的一种接法，而且在解释原理没有涉及更多的概念，如多子少子之类的。如果想更深入理解，可以看这篇文章：晶体三极管工作原理讲解方法探讨（原创）http://blog.sina.com.cn/s/blog_60c4c4e90100fg23.html）除了PNP结型晶体管，还有NPN结型晶体管，其原理与之类似。

　　我们再看接触型晶体管，结合前面肖特基二极管的原理解释就容易明白了，它实质上就是“金属—N—金属”三极管，两段金属和P型半导体的作用是一样的，但性能当然要比结型晶体管要差太多。

　　最后肖克利心心念念的场效应管在原理上其实没得问题，但是时间却要晚得多。实用的器件一直到1952年才被制造出来（结型场效应管，Junction-FET，JFET）。1960年Dawan Kahng发明了金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect transistor, MOSFET），从而大部分代替了JFET。最终晶体管形成了结型晶体管与场效应晶体管两大类。

　　晶体管的出现是电子技术发展史上一座里程碑。同电子管相比，晶体管具有诸多优越性：

1. 晶体管的构件是不会消耗的。无论多么优质的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍，称得起永久性器件的美名。

2. 晶体管消耗电子极少，仅为电子管的十分之一或几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去，而电子管收音机完全做不到。

3. 晶体管不需预热，一开机就工作。显然，在军事、测量、记录等方面，晶体管是非常有优势的。

4. 晶体管结实可靠，耐冲击、耐振动，这都是电子管无法想象的。

5. 晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度，为发展为集成电路铺平了道路。

正因为晶体管的性能如此优越，晶体管诞生之后，便被广泛地应用于工农业生产、国防建设以及人们日常生活中，最终使人类社会面貌发生翻天覆地的变化。

　　1956年12月10日，因发明了晶体管，肖克利、巴丁和布拉顿共同获得诺贝尔物理学奖。（可能觉得不太过瘾，巴丁在1972年又获得了一次诺贝尔物理学奖。他是史上同一领域获得两次诺奖的唯一一人）

威廉·肖克利的员工举杯祝贺他获得1956年的诺贝尔奖，这其中就有著名的“八叛逆”

　　最后让我们怀着崇敬的心情观看一部贝尔实验室于1965年拍摄的纪录片：《晶体管的起源 - AT&T档案》https://v.youku.com/v_show/id_XNjY2NzMyMTQ4.html

晶体管的工作原理

摘抄整理自以下资料：

1. 晶体管发展史 - 百度文库  https://wenku.baidu.com/view/31d75595c850ad02df804150.html

2. 电子管发展史 - 简书  https://www.jianshu.com/p/36afa02de7d4

3. ABC：第一台电子计算机 - 简书  https://www.jianshu.com/p/36c12d379c4d

4. ENIAC：第一台通用电子计算机 - 简书  https://www.jianshu.com/p/de3d55ccae2f

5. 工业革命—正传：59.冰海沉船_马可尼  https://www.sohu.com/a/270251988_652516

6. 146年前的今天，发明无线电“黑”科技的马可尼出生_百科TA说  https://baike.baidu.com/tashuo/browse/content?id=56526503b14166aadefd38f9&lemmaId=313672&fromLemmaModule=pcBottom

7. 李·德弗雷斯特_百度百科  https://baike.baidu.com/item/%E6%9D%8E%C2%B7%E5%BE%B7%E5%BC%97%E9%9B%B7%E6%96%AF%E7%89%B9/10735202

8. 元器件科普之晶体管基础知识大放送  https://www.sohu.com/a/238414405_793365

9. 半导体有什么好处？为什么IC（集成电路）要制作在半导体上？- 知乎  https://www.zhihu.com/question/36498888

10. 矿石检波器——无线电技术的恐龙时代  http://k.sina.com.cn/article_6400817844_17d84bab40010038ax.html

11. 贾格迪什·钱德拉·博斯_百度百科  https://baike.baidu.com/item/%E8%B4%BE%E6%A0%BC%E8%BF%AA%E4%BB%80%C2%B7%E9%92%B1%E5%BE%B7%E6%8B%89%C2%B7%E5%8D%9A%E6%96%AF/20223515?fr=aladdin

12. 现在看来十分落后的金属屑检波器，它可是无线电先驱们的开山之作  http://www.360doc.com/content/19/0326/17/16534268_824314625.shtml

13. 矿石收音机的介绍与制作（赵中年） https://m.sohu.com/a/159623286_720654?_f=m-article_33_feeds_16

14. 一组漂亮的矿石检波器  http://blog.sina.com.cn/s/blog_4ce016230100alnw.html

15. 半导体_百度百科  https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%8A%E5%AF%BC%E4%BD%93/385669?fr=aladdin

16. 半导体材料（物理名词） - 搜狗百科  https://baike.sogou.com/historylemma?lId=64501551&cId=64501552

17. 20世纪物理学进展与百年重大新技术  https://blog.csdn.net/zhaoliang_87/article/details/3093602

18. Light-emitting diode  http://techsciencenews.com/referencetopics/Inv_timeline/timeline/light-emitting_diode.html

19. 【爱活历史课】现代电子文明的基础——晶体管  https://www.evolife.cn/html/2014/75385.html

20. 晶体管的发明  http://cs.gzedu.com/jiaoshijixu/dbsd8/jxjy006/intro/ziliaoku/xueshi/%E7%AC%AC%E5%8D%81%E4%B8%89%E7%AB%A0%E7%AC%AC%E4%BA%94%E8%8A%82.htm

21. [图文]半导体物理 - 第六章 - pn结 - 百度文库  https://wenku.baidu.com/view/28bfb46a9a6648d7c1c708a1284ac850ad02042f.html?rec_flag=default&sxts=1589751269588

22. 华特·萧特基_百度百科  https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%8E%E7%89%B9%C2%B7%E8%90%A7%E7%89%B9%E5%9F%BA/207930

23. 点接触二极管和肖特基二极管是什么关系  https://bbs.21ic.com/icview-990840-1-1.html

24. 肖特基二极管_百度百科  https://baike.baidu.com/item/%E8%82%96%E7%89%B9%E5%9F%BA%E4%BA%8C%E6%9E%81%E7%AE%A1/3217901?fr=aladdin

25. 【图片】【转】苏联电子信息技术真实水平的探讨【米格战机吧】_百度贴吧  https://tieba.baidu.com/p/2852525233?pid=45559299732&see_lz=1&red_tag=1635380354

26. 图文详解二极管原理  https://blog.csdn.net/u012184539/article/details/84869834

27. Presidents of Bell Labs - Bell Labs  http://www.bell-labs.com/about/history-bell-labs/presidents/

28. 科学网—约翰·巴丁：史上唯一两夺诺贝尔物理奖，却低调到几乎被世人遗忘  http://blog.sciencenet.cn/blog-2966991-1108256.html

29. 晶体管（电子元件）_百度百科  https://baike.baidu.com/item/%E6%99%B6%E4%BD%93%E7%AE%A1/569042?fr=aladdin

30. 晶体管工作原理-电子发烧友网  http://m.elecfans.com/article/821801.html

拓展阅读：

背景简介：本文作者陶卓彬，毕业于解放军理工大学，曾在军队技术部门从事软件开发十余年，并多次获得军队科技进步奖。现在北京某大学校企从事教育开发工作。长期关注互联网、软件领域课题。本文于2020年5月19日年发表于微信公众号 跟陶叔学编程 （第一块晶体管背后的故事（《计算机发展时间线》番外）），风云之声获授权转载。

责任编辑：陈昕悦