195
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”，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)學運算真正得以實現(xiàn)。
技術(shù)的突破帶來硬件應用的加速。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?，F(xiàn)實的應用空間。1946 年，賓夕法尼亞大學的工程師埃克特和物理學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?，F(xiàn)實的需求呼喚技術(shù)的革新，半導體材料的出現(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，并和化學家斯坦利·摩根、固體物理學家約翰·巴丁、實驗物理學家瓦爾特·布萊特等人一起開始了對于半導體材料的研究。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。”在這個實驗數(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（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)表了論述半導體器件原理的著作《半導體中的電子和空穴》，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)的半導體現(xiàn)象。此后數(shù)十年間，半導體的光生伏特效應、光電導效應、半導體導電單向性的整流效應被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。進入二十世紀，關(guān)于半導體的整流理論、能帶理論、勢壘理論，才在眾多科學家的努力下不斷完成。而肖克利對半導體的整體理論構(gòu)建其實是在前人的基礎(chǔ)上完成的。而半導體理論的基礎(chǔ)又離不開近代物理學，特別是量子力學理論的指導。
同樣，半導體材料也是在對半導體理論的研究中逐漸成熟。最早科學家利用半導體材料的整流效應來制作檢波器（點觸式二極管）。從 1907 年到 1927 年，美國的物理學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，硅成為應用最廣泛的半導體材料。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、布萊頓等人對半導體特性的熟練掌握和對半導體 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家、發(fā)明家對于科學理論研究和新技術(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”。
