芯片破壁者（一）：從電子管到晶體管“奇跡”尋蹤

原標題：芯片破壁者（一）：從電子管到晶體管“奇跡”尋蹤

1999年，美國《洛杉磯時報》評選出“50名本世紀經(jīng)濟最有影響力人物”，其中并列第一名的有三個人：美國發(fā)明家威廉·肖克利、羅伯特·諾伊斯和杰克·基爾比。肖克利是晶體管的發(fā)明人之一，諾伊斯和基爾比是集成電路的發(fā)明人。

排在第二至四位的分別是現(xiàn)代汽車工業(yè)奠基人的亨利·福特，連任四屆美國總統(tǒng)的羅斯福，以及創(chuàng)辦迪斯尼動畫王國的沃爾特·迪斯尼。

回顧二十世紀，無論是科技、商業(yè)，還是政治、軍事、娛樂生活，幾乎每一個領(lǐng)域都發(fā)生了狂飆突進式的巨變，每個領(lǐng)域也都誕生出了足以彪炳史冊的“關(guān)鍵”人物。在二十世紀的“群星閃耀”中，我們該如何理解三位發(fā)明家能夠位列第一的殊榮呢？

要知道，晶體管被譽為“20世紀最偉大的發(fā)明”，而集成電路的出現(xiàn)又真正奠定了第三次產(chǎn)業(yè)革命的基石。如果這樣說略顯抽象，不如我們換一個說法。在我們今天的生活中，手機、電腦、電視、汽車等所有的電子設(shè)備中，都離不開一種最核心的硬件——芯片。而芯片正是由半導(dǎo)體集成電路來實現(xiàn)的，而集成電路最基本的物理單元就是晶體管。晶體管，就是我們從物理世界通向數(shù)字世界的“細胞”。

如果你認可電子信息技術(shù)以及由此帶來的數(shù)字經(jīng)濟的巨大價值的話，那么你一定也會同意將“最具影響力”的殊榮送給他們?nèi)?。當然你也知道，排名不過是我們對歷史的一種“簡化”認知，真正的殊榮也要分給推動這一技術(shù)實現(xiàn)的每一個科學(xué)家、發(fā)明家以及商業(yè)家們。

回到歷史現(xiàn)場，成為我們重新審視這場技術(shù)“奇跡”的基本方法。當我們一點點還原出構(gòu)成這一技術(shù)鏈條中的重要人物和重要節(jié)點，可能又會發(fā)現(xiàn)一個這樣的事實：技術(shù)“奇跡”并不存在，一切都有跡可循。

那么，在回到1947年12月23日位于美國新澤西貝爾實驗室的第一個晶體三極管發(fā)明現(xiàn)場之前，我們必須將目光先投向更早的十九世紀末，來到愛迪生實驗室，去瞥見那一束照亮電子世界的微弱電流。由此重新出發(fā)，我們首先將經(jīng)歷一段“電子管”半個世紀的傳奇故事，找尋到技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)變革背后的內(nèi)在動因，才能最終理解“晶體管”出現(xiàn)的真正意義。

序曲：捕捉電子的起點紛爭

1883年，飽受碳絲燈泡壽命問題困擾的愛迪生突發(fā)奇想，他在真空電燈泡內(nèi)部碳絲附近安裝了一小截銅絲，希望銅絲能阻止碳絲蒸發(fā)，但毫無懸念，碳絲再一次蒸發(fā)了。不過他卻發(fā)現(xiàn)，那根沒有連接到電路的銅絲竟然產(chǎn)生了微弱的電流。盡管當時他并沒有特別重視這一現(xiàn)象，但這位敏感的發(fā)明家仍然為這一發(fā)現(xiàn)申請了專利。

此后，這一現(xiàn)象被稱為“愛迪生效應(yīng)”，而這一現(xiàn)象發(fā)生的原因就是熱能使得物體上的電子克服束縛位能，通過熱激發(fā)產(chǎn)生載流子。受此啟發(fā)，英國物理學(xué)家約翰·弗萊明在1904年發(fā)明了世界上第一個電子管——真空二極管，并獲得了這項發(fā)明的專利權(quán)。真空二極管也被視作開啟電子時代的鼻祖。

（弗萊明發(fā)明的真空二極管）

1906年，美國工程師李·德·福雷斯特在弗萊明二極管的基礎(chǔ)上又多加入了一個柵極，發(fā)明出新型的真空三極管，使得真空管在檢波和整流功能之外，還具有了放大和震蕩功能。福雷斯特于1908年2月18日拿到了這項專利。

（福雷斯特發(fā)明的真空三極管）

1911年，加入聯(lián)邦電報公司的福雷斯特，再次改進了真空三極管的排列方式，發(fā)明了二十世紀最重要的一個電子器件——電子放大器，可以大幅改進電報信號的輸出質(zhì)量。也正是基于這些功能，真空三極管被人們認為是電子工業(yè)誕生的起點。

歷史的吊詭之處就在于，兩位發(fā)明人并未首先從這項發(fā)明中獲益。由于弗萊明聲稱他擁有電子管的優(yōu)先發(fā)明權(quán)，因此他所就職的英國馬可尼公司就大張旗鼓地生產(chǎn)起真空三極管來，福雷斯特對此當然十分不滿，將馬可尼公司告上法庭。

直到1916年，經(jīng)歷十年的訴訟，法庭最后判決福雷斯特的三極管觸犯了二極管的專利權(quán)，而馬可尼生產(chǎn)的三極管也侵害了福雷斯特公司注冊的三極管專利權(quán)。最終結(jié)果是兩敗俱傷，兩家公司都不準許再繼續(xù)生產(chǎn)三極管。

專利權(quán)的紛爭盡管延緩了電子管的普及速度，但是我們更要記住的是，正是專利制度對于發(fā)明權(quán)的保護，才能成為這些技術(shù)公司和技術(shù)人員孜孜不倦地推動技術(shù)革新的動力之源。

此后三十多年，真空電子管技術(shù)和工藝得到多次改良，真空三極管技術(shù)也成為歐美幾個大國重點爭奪的“核心技術(shù)”。除了在無線電通信、廣播領(lǐng)域的應(yīng)用外，真空電子管帶來了全新的電子技術(shù)和最早的電子計算機。

過渡：真空管的短暫“巔峰”時刻

二十世紀初，隨著真空三極管的發(fā)明，人們已經(jīng)意識到可以實現(xiàn)電子信號傳遞和放大的三極管可以用于模擬計算。

模擬計算的原理就是通過具體的電壓值來表示物理世界的數(shù)量值，再通過真空三極管這一的電子器件組成的系統(tǒng)，按照加減乘除等數(shù)學(xué)運算法則來對電壓進行變化，最終得到一個同樣用電壓值表示的運算結(jié)果，這樣就使用電子器件完成了對物理世界的模擬和分析。這一器件被稱為“運算放大器”，在此基礎(chǔ)上，人們研制出了電子模擬計算機。

最早的真空三極管的信號放大作用，被貝爾實驗室用于電話通信中，解決了弱信號的遠距離傳輸問題，但是放大器的增益仍存在不穩(wěn)定的問題。1927年，時年29歲的年輕工程師布萊克開始著手研究這一問題，提出了負反饋放大器的解決方案，并在1936年將負反饋放大器引用在電話機的放大線路中。

至此之后，負反饋放大器一直成為運算放大器的核心原理沿用至今，并且使得利用電子信號進行數(shù)學(xué)運算真正得以實現(xiàn)。

技術(shù)的突破帶來硬件應(yīng)用的加速。1941年，貝爾實驗室的卡爾·施瓦茨爾在布萊克的專利技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計出第一款商用的真空管運算放大器——加法器。同年，德國人康拉德·楚澤使用了大量真空管，制造出第一臺可編程電子計算機，能夠在每秒內(nèi)執(zhí)行3-4次加法運算。

1944年，哈佛大學(xué)研究人員霍華德·艾肯在IBM總經(jīng)理托馬斯·沃森的支持下，用機電方式研制出了MARK-1號計算機，可以實現(xiàn)每秒200次以上的運算。

二戰(zhàn)時，由于像快速計算火炮彈道等需要，電子計算機有了非常現(xiàn)實的應(yīng)用空間。1946年，賓夕法尼亞大學(xué)的工程師?？颂睾臀锢韺W(xué)家毛希利等人共同研制出了真正意義上的第一臺通用型電子計算機——埃尼阿克（ENIAC）。這臺使用了18000多只電子管，重130多噸，占地面積170多平方米，每秒鐘可作5000多次加法運算。之前的計算機需要2小時完成的40點彈道計算，ENIAC只需要3秒鐘，在當時堪稱奇跡。

（1946年，當時世界最先進的真空管電子計算機ENIAC）

ENIAC顯示出電子計算機的巨大應(yīng)用前景，成為這一時期真空管電子計算機的最先進代表。在此基礎(chǔ)上，數(shù)學(xué)家馮·諾依曼對ENIAC作了關(guān)鍵改進，完善了現(xiàn)代計算機的模型，至今仍然是現(xiàn)代計算機的基礎(chǔ)架構(gòu)。

不過，ENIAC因其龐大的體積、巨額的功耗、短暫真空管壽命以及由此帶來的高檢修率，造成這一代真空管計算機難以實現(xiàn)獲得快速升級和大規(guī)模普及。現(xiàn)實的需求呼喚技術(shù)的革新，半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)讓技術(shù)的革新成為可能。

出道即巔峰，巔峰即落幕，成為真空管電子計算機的宿命。很快，晶體管的出現(xiàn)讓新一代電子計算機登上了歷史舞臺，并且一騎絕塵開啟了我們熟知的“摩爾定律”的時代。

登場：晶體管的“奇跡”時刻

1947年的12月23日下午，圣誕節(jié)前兩天，瓦爾特·布萊頓和希爾伯特·摩爾仍舊來到實驗室，再次進行半導(dǎo)體放大實驗。他們將這個裝置的一端連接到一個麥克風，另一端連接到一副耳機。摩爾與布萊頓用麥克風講話，其他人則從耳機里聽到了他們被放大了18倍的聲音。這一實驗的成功標志著第一個具有放大功能的基于鍺半導(dǎo)體的點接觸式晶體三極管的誕生，這一天被視為晶體管的誕生日。

（貝爾實驗室誕生的第一個鍺半導(dǎo)體點接觸式晶體管）

完成這一項目的正是貝爾實驗室肖克利領(lǐng)導(dǎo)的固體物理研究小組。1945年，肖克利牽頭成立了這一小組，并和化學(xué)家斯坦利·摩根、固體物理學(xué)家約翰·巴丁、實驗物理學(xué)家瓦爾特·布萊特等人一起開始了對于半導(dǎo)體材料的研究。經(jīng)過多次失敗，他們嘗試用鍺和硅來制造半導(dǎo)體放大器。

12月15日，在布萊頓的精湛技術(shù)操作下，完成了這個由鍺塊、金線、彈簧、電池等組成的裝置，并且觀察到隨著鍺塊上兩個接觸點的靠近而產(chǎn)生的電壓放大作用。第二天，布萊頓在實驗筆記中寫下：“在鍺表明上，用點接觸方法加上兩個電極，間隔400微米。此時1.3伏的直流電壓被放大了15倍?！痹谶@個實驗數(shù)據(jù)下面，肖克利作為小組組長和見證人，簽上了名字。這個裝置在幾個月之后被貝爾實驗室稱為“晶體管”（Transistor），由傳導(dǎo)（Transfer）和電阻（Resistor）兩個詞合成。

不過，一個有趣的細節(jié)再次出現(xiàn)在晶體管專利的申請上面。盡管晶體管的誕生是基于肖克利的場效應(yīng)理論，肖克利也直接參與了整個研究過程，但是這一晶體三極管的專利申請書上沒有他的名字。專利代理律師給出的理由是肖克利的場效應(yīng)理論與一項1925年生效的結(jié)型MOS專利沖突，另外，進行那項決定晶體管誕生的實驗時，肖克利本人并不在場。這一結(jié)果自然讓肖克利非常生氣。

天才的憤怒就是用更高的成就來回應(yīng)此事。一個月后，也就是1948年1月23日，肖克利提出了更先進的結(jié)型晶體管的構(gòu)想。1950年，第一只結(jié)型晶體管問世，同年11月，肖克利發(fā)表了論述半導(dǎo)體器件原理的著作《半導(dǎo)體中的電子和空穴》，從理論上詳細闡述了結(jié)型晶體管的原理。至此，肖克利再次證明了他在晶體管上面獨一無二的貢獻。

（巴丁<左>、布拉頓<右> 和肖克利<中>）

1956年，因為在半導(dǎo)體的研究貢獻和晶體管的發(fā)明，肖克利與巴丁和布拉頓分享了當年的諾貝爾物理學(xué)獎。

我們看到，晶體管的發(fā)明，并非一個天才一時的靈光乍現(xiàn)。即使是肖克利這樣聰明又勤奮的科學(xué)家，也需要在團隊的協(xié)助下實現(xiàn)技術(shù)的創(chuàng)新。而在此之前，更是需要長達一個世紀的理論準備和材料發(fā)現(xiàn)。

1833年，英國科學(xué)家法拉第在測試硫化銀特性時，發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的上升而降低，這是人類首次發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體現(xiàn)象。此后數(shù)十年間，半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、半導(dǎo)體導(dǎo)電單向性的整流效應(yīng)被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。進入二十世紀，關(guān)于半導(dǎo)體的整流理論、能帶理論、勢壘理論，才在眾多科學(xué)家的努力下不斷完成。而肖克利對半導(dǎo)體的整體理論構(gòu)建其實是在前人的基礎(chǔ)上完成的。而半導(dǎo)體理論的基礎(chǔ)又離不開近代物理學(xué)，特別是量子力學(xué)理論的指導(dǎo)。

同樣，半導(dǎo)體材料也是在對半導(dǎo)體理論的研究中逐漸成熟。最早科學(xué)家利用半導(dǎo)體材料的整流效應(yīng)來制作檢波器（點觸式二極管）。從1907年到1927年，美國的物理學(xué)家研制成功晶體整流器、硒整流器和氧化亞銅整流器。1931年，硒光伏電池研制成功。1932年，德國先后研制成功硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛等半導(dǎo)體紅外探測器。

此后，四價元素鍺和硅成為最常用的材料，而在肖克利發(fā)明鍺半導(dǎo)體的晶體三極管的幾年后，人們發(fā)現(xiàn)硅更適合生產(chǎn)晶體管。此后，硅成為應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料。這也是美國北加州被稱為“硅谷”而不是“鍺谷”的原因。

總體來說，使用半導(dǎo)體材料而制成的晶體三極管，既具有了真空電子管的功率放大和開關(guān)作用，又避免了真空電子管高耗能、低壽命、低效率的致命缺陷。另外，利用晶體管可以不斷縮小的工藝特點，為電子設(shè)備的微型化提供了可能。更小的體積、更快的速度、更可靠的穩(wěn)定性，讓晶體管真正成為現(xiàn)代信息技術(shù)革命的基石。

1954到1956年，全美國共銷售了1700萬個鍺晶體管和1100萬個硅晶體管，價值約5500萬美元，而同期的真空管銷售了13億個，市場份額超過10億美元。但這幾乎是真空管落幕前最后的“榮光”了。此后，晶體管將一騎絕塵，帶來電子計算機的指數(shù)級發(fā)展。

凡終章，皆序曲：“奇跡”背后的創(chuàng)新邏輯

當我們簡要回顧完從電子管到晶體管的躍遷的若干關(guān)鍵歷史現(xiàn)場和幾乎主要的技術(shù)節(jié)點之后，我們可以再一次確認，晶體管，這一帶給全人類信息技術(shù)革命的“奇跡”發(fā)明，其之所以能夠出現(xiàn)的每一個要素都可以在之前百年的技術(shù)演化中得到還原。

真空電子管的發(fā)明，已經(jīng)從原理上或者說結(jié)構(gòu)上，通過對電子的控制完成了對數(shù)字信號的處理，真空管電子計算機的實現(xiàn)更是從實踐上證明了數(shù)字計算的廣闊前景。而晶體管只需要完成對真空管原有功能的一次“完美復(fù)制”。

（巴丁、布萊頓發(fā)明的點接觸型三極管和肖克利發(fā)明的結(jié)型三極管結(jié)構(gòu)圖）

當然，這一突破并不容易。晶體管的出現(xiàn)同時還需要人類對于半導(dǎo)體材料和特性的真正掌握。而這一進程也花費了百年時間。最終，在肖克利、巴丁、布萊頓等人對半導(dǎo)體特性的熟練掌握和對半導(dǎo)體PN結(jié)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)造性試驗中，才將可以替代電子管放大器的晶體三極管給“奇跡”般的創(chuàng)造出來。

如果我們能夠回到弗萊明、福雷斯特、肖克利等人生活的年代，與其一起工作的話，我們還會深切地感受到這些科學(xué)家、發(fā)明家對于科學(xué)理論研究和新技術(shù)發(fā)明的巨大熱情。同時，我們也還能感受到他們對于技術(shù)發(fā)明轉(zhuǎn)化為商業(yè)成功的巨大渴望。

如果我們再把視野放大，審視這些發(fā)明天才所處的時代環(huán)境，就會發(fā)現(xiàn)像英美這樣完成兩次工業(yè)革命的同時，所建立起的一整套的自由競爭的市場體制、鼓勵創(chuàng)新的公司研發(fā)機制以及國家信譽保證的專利保護制度。正是在競爭激烈但規(guī)則有序的市場環(huán)境當中，科學(xué)的研究和技術(shù)的發(fā)明獲得了來自商業(yè)最大程度的投入，商業(yè)利益也因為技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化而得到最大化的實現(xiàn)。

在眾多的科學(xué)家和發(fā)明家的背后，我們能夠列舉出一長串的知名企業(yè)的名單：馬可尼無線電公司、通用電氣、西屋電氣、西門子、IBM、美國電話電報公司（AT&T），以及未來我們會看到的德州儀器、仙童、英特爾等等。

接下來，我們將回顧硅半導(dǎo)體的技術(shù)史，深入到硅晶體的演進現(xiàn)場，來見證硅晶體管的時代到來。至于這位偉大的物理天才肖克利，我們也將在更后面看到他極具爭議的人生下半場，以及由他所開啟的那個“硅谷時代”。

參考文獻：

1.《芯片改變世界》，第一篇“半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體器件的前世今生”，2019年10月。

2.《電子科技》，“史蒂夫·喬布斯列‘50名本世紀經(jīng)濟最有影響力人物第五位’”，1999年12月20日。

3.《實用影音技術(shù)》，“膽機是怎樣走過來的（上）”，2010年第10期。

生成海報

免責聲明：本網(wǎng)站內(nèi)容主要來自原創(chuàng)、合作伙伴供稿和第三方自媒體作者投稿，凡在本網(wǎng)站出現(xiàn)的信息，均僅供參考。本網(wǎng)站將盡力確保所提供信息的準確性及可靠性，但不保證有關(guān)資料的準確性及可靠性，讀者在使用前請進一步核實，并對任何自主決定的行為負責。本網(wǎng)站對有關(guān)資料所引致的錯誤、不確或遺漏，概不負任何法律責任。任何單位或個人認為本網(wǎng)站中的網(wǎng)頁或鏈接內(nèi)容可能涉嫌侵犯其知識產(chǎn)權(quán)或存在不實內(nèi)容時，應(yīng)及時向本網(wǎng)站提出書面權(quán)利通知或不實情況說明，并提供身份證明、權(quán)屬證明及詳細侵權(quán)或不實情況證明。本網(wǎng)站在收到上述法律文件后，將會依法盡快聯(lián)系相關(guān)文章源頭核實，溝通刪除相關(guān)內(nèi)容或斷開相關(guān)鏈接。