晶体管的来源及发展历史

半导体电路

半导体电路可能是20世纪最伟大的发明了。1947年，美国电话电报公司（AT&T）的贝尔实验室制作出了第一件实用的半导体设备晶体管，它开启了整个微电子领域。威廉·肖克利（WilliamShockley）为这一发现整整努力了两年，但他一直都充满干劲。1945年，肖克利开始用半导体来开发一种新的电子放大器。半导体材料的导电性不足以让它成为导体，但又不够绝缘也不属于绝缘体。聪明但又冷漠的肖克利选择在家办公，让同事沃特·布拉坦（WalterBrattain）与约翰·巴丁（JohnBardeen）在新泽西州的贝尔实验室自由地开展实验。

肖克利并不认为他们会在没有他的情况下推进项目，取得这项发现，但他们恰恰做到了。1947年11月，实验师布拉坦的一次偶然发现，让理论物理学家巴丁对电流在半导体表面的行为有了关键性的新理解。布拉坦用塑料、金箔和半导体锗拼凑出了一件放大器，并进行了测试。这个放大器成功了，能用很小的输入电压来控制庞大的电流。这是史上首个晶体管，英其中的“man”意为“转换”，而resistor”则是文名为“transistor控制电流的电阻器。贝尔实验室于1948年6月宣布了这一发现，但直到1951年肖克利改进了这个设计，人们才意识到它的重要性。1956年，肖克利、巴丁和巴拉坦共同获得了诺贝尔物理学奖。

N型，P型

半导体的导电是通过带负电的电子的运动（这是普通导体的工作方式）或电子移动所留下的带正电的“空穴”的运动实现的。电子浓度较高的半导体被称为N型半导体，而空穴浓度较高的半导体则被称为P型半导体这两种半导体是通过将纯半导体“掺杂”制得的，即向纯半导体中掺杂质。制作N型半导体只需向其中加入电子浓度较高的杂质，如砷。而向半导体中加入缺少电子的掺杂剂，如镓，就能制作出P型半导体。

人们早就知道半导体材料的存在，最常见的有类金属元素硅和锗，但它们在电路中的可能应用并没有立即显现出来。第一种半导体设备是二极管，二极管是一种电流只能单向流动的电子元件。19世纪末时，德国物理学家卡尔·费迪南德·布劳恩（KarlFerdinandbraun）制作出了第一个二极管。由于连接半导体晶体的导线很像胡须，所以当时二极管被称为“猫须”。但这个“猫须”并不可靠。巴丁团队的目标更远大。他们意识到，多片N型和P型材料可一起组成一个半导体结。在半导体结上施加外部电压并进行电压调节，就可以控制半导体结的整体导电性。而这就是最终制作出晶体管的思路。晶体管工作原理。

晶体管可以看做是由N型和P型材料层交替叠加而成的三明治。在NPN晶体管中，提高中间层（P型）的电压会增加中间层的电子，从而令中间层的导电性强于外层材料，使得通过晶体管的电流增加。PNP晶体管中的导电过程与NPN晶体管类似，但电流强度不受电子数量控制而是由中间层带正电的空穴数量决定的。从最基本的层面上来说，晶体管就是电子放大器。晶体管可以让人们用很小的电压来控制非常大的电流，比如将微弱的无线电信号通过扩音器放大，好让人们能听到。这没有什么新鲜的。1907年左右就出现了放大器，当时的电子工程师在真空管（又称电子管）的基础上，制作出了最原始的电路。真空管使用密闭灯泡中排列的金属电极来控制电流。但这些真空管脆弱、昂贵、不可靠，且非常笨重。而贝尔实验室的晶体管直径只有1.3厘米，并且很快就在其他方面超越了真空管。

第一款商业晶体管于1949年上市。紧随其后的是项真正标志性的发明：晶体管收音机。第一款晶体管收音机于1954年上市，定价49.95美元，相当于现在的400美元左右。收音机并没有马上流行起来，直到20世纪60年代，收音机的制造价和零售价大幅降低，它才开始广泛流行。不过晶体管的重要应用还在后头。晶体管不仅是放大器，它还是开关，能快速、可靠地响应输入电压，在“开”与“关”之间切换。真空管也能做到这一点，但却很有限，晶体管则高效得多系列半导体晶体管开关经过特定排列后可以制作成不同的逻辑门，用以处理信息。正是基于逻辑门，才出现了神奇的电子计算机。

少即是多

1953年，英国曼彻斯特大学制造出了世界上第一台晶体管计算机。之后在20世纪50年代和60年代里，诞生了更多晶体管计算机。晶体管计算机的一个关键优势是体积小，比真空管计算机要更紧凑。1958年，随着半导体微芯片（即硅片）的发明，计算机变得更小了。一小块半导体圆晶上可以放置许多晶体管，电器的小型化由此发端。如今，一块半导体微芯片上能放置数十亿个晶体管。这些晶体管小到能放到血细胞的表面，而且价格非常便宜，1美元就能买到5000万个。因此，从手机到航天火箭等各种电子设备，都应用了晶体管及其他半导体部件。