半導(dǎo)體電路

半導(dǎo)體電路可能是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明了。1947年，美國(guó)電話電報(bào)公司（AT&T）的貝爾實(shí)驗(yàn)室制作出了第一件實(shí)用的半導(dǎo)體設(shè)備晶體管，它開(kāi)啟了整個(gè)微電子領(lǐng)域。威廉·肖克利（WilliamShockley）為這一發(fā)現(xiàn)整整努力了兩年，但他一直都充滿干勁。1945年，肖克利開(kāi)始用半導(dǎo)體來(lái)開(kāi)發(fā)一種新的電子放大器。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性不足以讓它成為導(dǎo)體，但又不夠絕緣也不屬于絕緣體。聰明但又冷漠的肖克利選擇在家辦公，讓同事沃特·布拉坦（WalterBrattain）與約翰·巴?。↗ohnBardeen）在新澤西州的貝爾實(shí)驗(yàn)室自由地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

肖克利并不認(rèn)為他們會(huì)在沒(méi)有他的情況下推進(jìn)項(xiàng)目，取得這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，但他們恰恰做到了。1947年11月，實(shí)驗(yàn)師布拉坦的一次偶然發(fā)現(xiàn)，讓理論物理學(xué)家巴丁對(duì)電流在半導(dǎo)體表面的行為有了關(guān)鍵性的新理解。布拉坦用塑料、金箔和半導(dǎo)體鍺拼湊出了一件放大器，并進(jìn)行了測(cè)試。這個(gè)放大器成功了，能用很小的輸入電壓來(lái)控制龐大的電流。這是史上首個(gè)晶體管，英其中的“man”意為“轉(zhuǎn)換”，而resistor”則是文名為“transistor控制電流的電阻器。貝爾實(shí)驗(yàn)室于1948年6月宣布了這一發(fā)現(xiàn)，但直到1951年肖克利改進(jìn)了這個(gè)設(shè)計(jì)，人們才意識(shí)到它的重要性。1956年，肖克利、巴丁和巴拉坦共同獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

N型，P型

半導(dǎo)體的導(dǎo)電是通過(guò)帶負(fù)電的電子的運(yùn)動(dòng)（這是普通導(dǎo)體的工作方式）或電子移動(dòng)所留下的帶正電的“空穴”的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。電子濃度較高的半導(dǎo)體被稱為N型半導(dǎo)體，而空穴濃度較高的半導(dǎo)體則被稱為P型半導(dǎo)體這兩種半導(dǎo)體是通過(guò)將純半導(dǎo)體“摻雜”制得的，即向純半導(dǎo)體中摻雜質(zhì)。制作N型半導(dǎo)體只需向其中加入電子濃度較高的雜質(zhì)，如砷。而向半導(dǎo)體中加入缺少電子的摻雜劑，如鎵，就能制作出P型半導(dǎo)體。

人們?cè)缇椭腊雽?dǎo)體材料的存在，最常見(jiàn)的有類(lèi)金屬元素硅和鍺，但它們?cè)陔娐分械目赡軕?yīng)用并沒(méi)有立即顯現(xiàn)出來(lái)。第一種半導(dǎo)體設(shè)備是二極管，二極管是一種電流只能單向流動(dòng)的電子元件。19世紀(jì)末時(shí)，德國(guó)物理學(xué)家卡爾·費(fèi)迪南德·布勞恩（KarlFerdinandbraun）制作出了第一個(gè)二極管。由于連接半導(dǎo)體晶體的導(dǎo)線很像胡須，所以當(dāng)時(shí)二極管被稱為“貓須”。但這個(gè)“貓須”并不可靠。巴丁團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)更遠(yuǎn)大。他們意識(shí)到，多片N型和P型材料可一起組成一個(gè)半導(dǎo)體結(jié)。在半導(dǎo)體結(jié)上施加外部電壓并進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，就可以控制半導(dǎo)體結(jié)的整體導(dǎo)電性。而這就是最終制作出晶體管的思路。晶體管工作原理。

晶體管可以看做是由N型和P型材料層交替疊加而成的三明治。在NPN晶體管中，提高中間層（P型）的電壓會(huì)增加中間層的電子，從而令中間層的導(dǎo)電性強(qiáng)于外層材料，使得通過(guò)晶體管的電流增加。PNP晶體管中的導(dǎo)電過(guò)程與NPN晶體管類(lèi)似，但電流強(qiáng)度不受電子數(shù)量控制而是由中間層帶正電的空穴數(shù)量決定的。從最基本的層面上來(lái)說(shuō)，晶體管就是電子放大器。晶體管可以讓人們用很小的電壓來(lái)控制非常大的電流，比如將微弱的無(wú)線電信號(hào)通過(guò)擴(kuò)音器放大，好讓人們能聽(tīng)到。這沒(méi)有什么新鮮的。1907年左右就出現(xiàn)了放大器，當(dāng)時(shí)的電子工程師在真空管（又稱電子管）的基礎(chǔ)上，制作出了最原始的電路。真空管使用密閉燈泡中排列的金屬電極來(lái)控制電流。但這些真空管脆弱、昂貴、不可靠，且非常笨重。而貝爾實(shí)驗(yàn)室的晶體管直徑只有1.3厘米，并且很快就在其他方面超越了真空管。

第一款商業(yè)晶體管于1949年上市。緊隨其后的是項(xiàng)真正標(biāo)志性的發(fā)明：晶體管收音機(jī)。第一款晶體管收音機(jī)于1954年上市，定價(jià)49.95美元，相當(dāng)于現(xiàn)在的400美元左右。收音機(jī)并沒(méi)有馬上流行起來(lái)，直到20世紀(jì)60年代，收音機(jī)的制造價(jià)和零售價(jià)大幅降低，它才開(kāi)始廣泛流行。不過(guò)晶體管的重要應(yīng)用還在后頭。晶體管不僅是放大器，它還是開(kāi)關(guān)，能快速、可靠地響應(yīng)輸入電壓，在“開(kāi)”與“關(guān)”之間切換。真空管也能做到這一點(diǎn)，但卻很有限，晶體管則高效得多系列半導(dǎo)體晶體管開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)特定排列后可以制作成不同的邏輯門(mén)，用以處理信息。正是基于邏輯門(mén)，才出現(xiàn)了神奇的電子計(jì)算機(jī)。

少即是多

1953年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)制造出了世界上第一臺(tái)晶體管計(jì)算機(jī)。之后在20世紀(jì)50年代和60年代里，誕生了更多晶體管計(jì)算機(jī)。晶體管計(jì)算機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是體積小，比真空管計(jì)算機(jī)要更緊湊。1958年，隨著半導(dǎo)體微芯片（即硅片）的發(fā)明，計(jì)算機(jī)變得更小了。一小塊半導(dǎo)體圓晶上可以放置許多晶體管，電器的小型化由此發(fā)端。如今，一塊半導(dǎo)體微芯片上能放置數(shù)十億個(gè)晶體管。這些晶體管小到能放到血細(xì)胞的表面，而且價(jià)格非常便宜，1美元就能買(mǎi)到5000萬(wàn)個(gè)。因此，從手機(jī)到航天火箭等各種電子設(shè)備，都應(yīng)用了晶體管及其他半導(dǎo)體部件。