芯片破壁者：从电子管到晶体管“奇迹”寻踪
最后更新：2020-07-06 10:01:55 手机定位技术交流文章
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文同的极体
1999年，《洛杉矶时报》评选出“本世纪50位最有影响力的人”，其中三人并列第一:美国发明家威廉·肖克利、罗伯特·诺伊斯和杰克·基尔比。沙克利是晶体管的发明者之一，诺伊斯和基尔比是集成电路的发明者。
排在第二至第四位的是现代汽车工业的创始人亨利·福特，连任四届美国总统的罗斯福，以及迪斯尼动画王国的创始人沃尔特·迪斯尼。
回顾20世纪，无论是科技、商业、政治、军事还是娱乐，几乎每一个领域都发生了结构和风格的变化，每个领域都诞生了“关键”人物。在20世纪的“闪亮之星”中，我们如何理解三个发明家能名列第一的荣耀？
众所周知，晶体管被誉为“20世纪最伟大的发明”，集成电路的出现真正奠定了第三次工业革命的基石。如果这有点抽象，让我们换一种方式来说。在今天的生活中，所有的电子设备，如手机、电脑、电视、汽车等。都离不开核心硬件芯片。芯片由半导体集成电路实现，集成电路最基本的物理单元是晶体管。晶体管是我们从物理世界到数字世界的“细胞”。
如果你认识到电子信息技术的巨大价值以及由此带来的数字经济，你肯定会同意授予他们三人“最有影响力”的荣誉。当然，如你所知，排名只是对历史的一种“简化”认知，真正的荣誉应该给予每一位推动这项技术实现的科学家、发明家和商人。
回到历史场景已经成为我们重新审视这一技术“奇迹”的基本方法。当我们一点一点地还原这个技术链中的重要人物和节点时，我们可能会发现另一个事实:技术“奇迹”并不存在，一切都可以追溯。
然后，在1947年12月23日回到位于美国新泽西州贝尔实验室的第一个晶体管发明地点之前，我们必须先看看19世纪末的早期，然后来到爱迪生实验室，一睹照亮电子世界的微弱电流。从这里开始，我们将首先体验半个世纪以来“电子管”的传奇故事，找出技术突破和产业变革背后的内在动力，最终理解“晶体管”的真正含义。
序曲:捕捉电子的起点争议
1883年，饱受灯丝灯泡寿命问题困扰的爱迪生突发奇想。他在真空灯泡内部的碳丝附近安装了一根小铜丝，希望铜丝能阻止碳丝蒸发，但毫无疑问碳丝会再次蒸发。然而，他发现没有连接到电路的铜线实际上产生了微弱的电流。尽管当时他并没有特别注意这一现象，但这位敏感的发明家为这一发现申请了专利。
此后，这种现象被称为“爱迪生效应”，这种现象的原因是物体上的电子克服束缚势能，通过热激发产生载流子。受此启发，英国物理学家约翰·弗莱明于1904年发明了世界上第一个电子管——真空二极管，并获得了这项发明的专利权。真空二极管也被认为是开启电子时代的鼻祖。
(真空弗莱明发明的二极管)
1906年，美国工程师李·德·福雷斯特给弗莱明二极管增加了另一个栅极，并发明了一种新型的真空晶体管，使真空晶体管不仅具有检测和整流功能，还具有放大和振荡功能。福勒斯特于1908年2月18日获得专利。
(真空阿甘发明的三极管)
1911年，加入联邦电报公司的福里斯特再次改进了真空晶体管的排列，发明了20世纪最重要的电子设备——电子放大器，它可以大大提高电报信号的输出质量。基于这些功能，真空三极管被认为是电子工业诞生的起点。
历史的矛盾在于两位发明家并没有首先从这项发明中受益。因为弗莱明声称他有发明电子管的优先权，他工作的英国马可尼公司大张旗鼓地生产了真空三极管。福勒斯特当然对此很不满意，并把马可尼公司告上了法庭。
直到1916年，经过十年的诉讼，法院最终裁定福里斯特三极管侵犯了二极管的专利权，而马可尼三极管也侵犯了福里斯特公司注册的三极管的专利权。最终结果是双方都输了，两家公司都不被允许继续生产三极管。
虽然专利权之争推迟了电子管的普及，但我们应该记住，正是专利制度保护了发明创造的权利，才能成为这些技术公司和技术人员不懈推动技术创新的动力。
30多年后，真空电子管技术和工艺得到了多次改进，真空三极管技术也成为欧美几个大国竞相争取的“核心技术”。除了在无线电通信和广播中的应用，真空电子管还带来了新的电子技术和最早的电子计算机。
过渡:真空管的短“峰值”力矩
20世纪初，随着真空三极管的发明，人们已经认识到可以实现电子信号传输和放大的三极管可以用于模拟计算。
模拟计算的原理是用特定的电压值来表示物理世界的量值，然后通过真空三极管等电子器件组成的系统，按照加减乘除的数学算法来改变电压，最后得到也用电压值表示的运算结果，从而用电子器件来完成对物理世界的模拟和分析。这种装置被称为“运算放大器”。在此基础上，人们开发了一种电子模拟计算机。
贝尔实验室在电话通信中使用了最早的真空三极管的信号放大功能，解决了微弱信号的长距离传输问题，但放大器的增益仍然不稳定。1927年，29岁的年轻工程师布莱克开始研究这个问题，并提出了负反馈放大器的解决方案。1936年，负反馈放大器被用于电话的放大电路。
自此，负反馈放大器成为运算放大器的核心原理，它使电子信号的数学运算真正实现。
技术突破加速了硬件的应用。1941年，贝尔实验室的卡尔·瓦尔克基于布莱克的专利技术设计了第一个商用真空晶体管运算放大器——加法器。同年，德国人康拉德·楚泽使用大量真空电子管制造出第一台可编程电子计算机，每秒钟可执行4次加法运算。
1944年，哈佛大学研究员霍华德·艾肯在IBM公司总经理托马斯·沃森的支持下，用机电的方法研制了马克-1型计算机，每秒钟能完成200多项操作。
第二次世界大战期间，由于火炮弹道快速计算的需要，电子计算机有了非常实际的应用空。1946年，宾夕法尼亚大学的工程师埃克特和物理学家毛希力共同开发了第一台通用电子计算机——ENIAC。这台机器使用了18000多根电子管，重量超过130吨，占地面积超过170平方米，每秒钟可执行5000多次加法运算。之前的计算机需要2小时来完成40点弹道计算，而ENIAC只需要3秒，这在当时是一个奇迹。
(1946年，世界上最先进的真空电子管电子计算机ENIAC)
ENIAC显示了电子计算机的巨大应用前景，成为这一时期真空管电子计算机的最先进代表。在此基础上，数学家冯·诺伊曼对ENIAC进行了关键性的改进，完善了现代计算机的模型，这仍然是现代计算机的基本结构。
然而，ENIAC的巨大体积、巨大功耗、真空管的短寿命和高维护率使得这一代真空管计算机难以实现快速升级和大规模推广。现实需求呼唤技术创新，半导体材料的出现使技术创新成为可能。
出道是巅峰，巅峰走到尽头，成为真正的空管电子计算机的命运。很快，晶体管的出现将新一代电子计算机带上了历史舞台，我们所熟悉的“摩尔定律”时代就此尘埃落定。
亮相:晶体管的“奇迹”时刻
1947年12月23日下午，也就是圣诞节的前两天，沃尔特·布莱顿和希尔伯特·摩尔仍然来到实验室再次进行半导体放大实验。他们将设备的一端连接到麦克风，另一端连接到一副耳机。摩尔和布莱顿用麦克风说话，而其他人通过耳机听到他们的声音放大了18倍。这项实验的成功标志着第一个基于具有放大功能的锗半导体的点接触晶体管的诞生，它被认为是晶体管的诞生日期。
(贝尔实验室诞生的第一个锗半导体点接触晶体管)
正是贝尔实验室肖克利领导的固态物理研究小组完成了这个项目。1945年，肖克利领导成立了这个小组，并与化学家斯坦利·摩根、固体物理学家约翰·巴丁、实验物理学家沃尔特·布雷特等人一起，开始研究半导体材料。在多次失败后，他们试图用锗和硅制造半导体放大器。
12月15日，该装置由锗块、金线、弹簧、电池等组成。在布赖顿的精湛技术操作下完成，并观察到锗块上两个接触点的接近所引起的电压放大效应。第二天，布莱顿在他的实验笔记中写道:“在锗的指示下，通过点接触法添加了两个电极，间隔为400微米。这时，1.3伏的DC电压被放大了15倍。”在这些实验数据下，肖克利签下了他的名字，作为组长和证人。几个月后，这个设备被贝尔实验室称为“晶体管”，由两个词组成:传输和电阻。
然而，晶体管专利申请中又出现了一个有趣的细节。尽管这种晶体管是基于肖克利的场效应理论而诞生的，肖克利直接参与了整个研究过程，但他的名字并没有出现在这种晶体管的专利申请中。专利律师给出的理由是肖克利的场效应理论与1925年生效的结型金属氧化物半导体专利相冲突。此外，在决定晶体管诞生的实验中，肖克利本人并不在场。这个结果自然让肖克利非常生气。
天才的愤怒是用更高的成就来回应它。一个月后，1948年1月23日，肖克利提出了更先进的结型晶体管的想法。1950年，第一个结型晶体管问世。同年11月，肖克利发表了他的著作《半导体中的电子总和空空穴》，从理论上详细阐述了结型晶体管的原理。在这一点上，肖克利再次证明了他对晶体管的独特贡献。
(Badin，bratton和shockley)
1956年，由于他对半导体研究的贡献和晶体管的发明，肖克利与巴丁和布莱顿分享了诺贝尔物理学奖。
正如我们所见，晶体管的发明不是天才。即使像肖克利这样聪明勤奋的科学家也需要他的团队的帮助来实现技术创新。在此之前，需要一个世纪的理论准备和材料发现。
1833年，当英国科学家法拉第测试硫化银的特性时，他发现硫化银的电阻随着温度的升高而降低，这是人类发现的第一个半导体现象。在接下来的几十年里，半导体传导的光伏效应、光电导效应和单向整流效应相继被发现。20世纪，在许多科学家的努力下，半导体的整流理论、能带理论和势垒理论得以完成。肖克利对半导体的整体理论建构实际上是在前人的基础上完成的。半导体理论的基础离不开现代物理学，尤其是量子力学理论的指导。
同样，在半导体理论的研究中，半导体材料也逐渐成熟。最早的科学家利用半导体材料的整流效应制造地震检波器(触摸二极管)。从1907年到1927年，美国物理学家成功开发了晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年，硒光伏电池被成功开发。1932年，德国相继开发了硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器。
此后，四价元素锗和硅成为最常用的材料，肖克利发明锗半导体晶体管几年后，人们发现硅更适合生产晶体管。从那以后，硅成为应用最广泛的半导体材料。这就是为什么北加州被称为“硅谷”而不是“锗谷”。
一般来说，由半导体材料制成的晶体管不仅具有真空电子管的功率放大和开关功能，而且避免了真空电子管高能耗、低寿命和低效率的致命缺陷。此外，通过使用晶体管可以被连续减小的技术特征，电子设备的小型化是可能的。更小的尺寸、更快的速度和更可靠的稳定性使晶体管成为现代信息技术革命的基石。
从1954年到1956年，美国销售了1700万个锗晶体管和1100万个硅晶体管，价值约为5500万美元，而同期销售了13亿个真空晶体管，市场份额超过10亿美元。但这几乎是真实空管道结束前的最后一次“荣耀”。从那时起，晶体管将远离尘埃，带来电子计算机的指数级发展。
每一个最后的章节都是一个前奏:“奇迹”背后的创新逻辑
在简要回顾了电子管向晶体管过渡的一些关键历史地点和几乎主要的技术节点之后，我们可以再次确认，晶体管的每一个元件，一项给全人类带来信息技术革命的“奇迹”发明，都可以在过去一百年的技术演变中得到恢复。
真空电子管的发明从原理上或结构上通过控制电子来处理数字信号，真空电子计算机的实现证明了数字计算在实践中的广阔前景。而晶体管只需要完成真空晶体管原始功能的“完美复制”。
(巴丁和布莱顿发明的点接触三极管和肖克利发明的结型三极管的结构图)
当然，这一突破并不容易。同时，晶体管的出现也要求人类真正掌握半导体材料和特性。这个过程也花了一百年。最后，在肖克利、巴丁、布赖顿等人对半导体特性的掌握和对半导体PN结结构的创造性实验中，能够取代电子管放大器的晶体管奇迹般地诞生了。
如果我们能回到弗莱明、福里斯特和肖克利生活和工作的时代，我们也会深深感受到这些科学家和发明家对科学理论研究和新技术发明的巨大热情。同时，我们也能感受到他们将技术发明转化为商业成功的强烈愿望。
如果我们扩大视野，审视这些发明天才所处的环境，我们将发现一套自由竞争的市场体系、创新的公司R&D机制和国家信用担保专利保护体系，这些体系是在完成英美等两次工业革命的同时建立的。正是在竞争但有序的市场环境中，科学研究和技术发明从商业中获得最大的投入，商业利益因技术成果的转化而最大化。
在许多科学家和发明家的背后，我们可以列出一长串知名企业:马可尼无线电公司、通用电气、西屋电气、西门子、IBM、美国电话电报公司(AT & T)，以及德州仪器、飞兆半导体、英特尔等。
接下来，我们将回顾硅半导体的技术历史，深入研究硅晶体的演变，见证硅晶体管时代的到来。至于肖克利，这位伟大的物理天才，我们还将看到他充满争议的后半辈子，以及他后来开创的“硅谷时代”。
参考:
1.“芯片改变世界”，第一篇文章“半导体材料和半导体器件的过去生活”，2019年10月。
2.《电子技术》，“史蒂夫·乔布斯在本世纪最具影响力的50人中排名第五”，1999年12月20日。
3.实用视听技术，《勇敢的机器是如何来的(一)》，2010年第10期。
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