晶体管与集成电路

晶体管的发明意味着一个梦想的实现。

——欧内斯特·布朗和斯图尔特·麦克唐纳，《小型机的革命》作者

20世纪40年代，计算机的开关装置还在使用机械继电器，它那连续开合的声音就像货运列车那样咔咔作响。到20世纪50年代，真空管取代了机械继电器。但真空管在技术上走进了死胡同，它们不可能再小了，而且由于它们会发热，彼此之间必须间隔一定的距离。因此，早期的计算机都像患了象皮病一样，看起来臃肿无比。

到1960年，研究固态元件的物理学家为计算机世界引入了一种全新的器件。这种使人们将真空管弃之如敝屣的东西叫作晶体管。晶体管是一小片惰性晶体，具有有趣的电气特性，一面世即被视为一项革命性技术发明。其发明者约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利因为这项技术创新，于1956年获得诺贝尔物理学奖。

晶体管的意义绝不仅仅在于淘汰了另一项技术，它是量子物理学应用方面的一系列实验的结晶，最终将计算机从工程师和科学家专用的巨型计算机变成像电视机一样可以随意购买的商品。作为一项技术突破，它不仅使得20世纪60年代微型计算机得以面世，还促使20世纪70年代个人计算机革命得以爆发。

1947年圣诞节的前两天，巴丁和布拉顿完成了“20世纪的重大发明”。但要想理解那年冬天在美国新泽西州默里山问世的晶体管的真正意义，我们还得说到多年以前的研究。

晶体管的发明

20世纪40年代，约翰·巴丁和威廉·肖克利研究的是与晶体管风马牛不相及的领域。关于锗与硅等化学元素的晶体在电场中表现出来的行为，量子力学方面的实验得出了一些奇怪的预测（后来被证实）。这些晶体无法归为绝缘体或导体，于是它们被称作半导体。半导体有一个让电气工程师欣喜若狂的特性——可使电流只朝一个方向流动而不朝另一个方向流动。电气工程师很快就利用了这一特性，他们用这种晶体的薄片对电流进行整流，使交流电变为直流电。被称作晶体管机的早期收音机是最早使用晶体整流器的商品。

晶体整流器是一件神奇的东西，虽然它只是一个没有任何活动部件的固态装置，却能做一些很有用的工作。然而，除了整流它什么也做不了。所以，另一种东西很快便几乎完全取代了晶体整流器。那就是李·德·福里斯特发明的三极管——一种让收音机大放异彩的真空管。三极管的用途比晶体整流器要多得多，它能放大通过的电流，还能利用较弱的次级电流改变从它的一极流向另一极的强电流。三极管的发明是电力与逻辑“联姻”过程中的重要一步，而这种以一种电流来改变另一种电流的能力，对EDVAC类计算机的设计至关重要。当时，有研究者认为，三极管的主要应用在于电话继电电路方面。

AT&T公司的人开始关注三极管，尤其是那些在贝尔实验室工作的研究人员。威廉·肖克利当时就在贝尔实验室工作，致力于研究杂质对半导体晶体的影响。微量的杂质能提供在装置中输送电流所需的额外电子。肖克利说服了贝尔实验室，允许他组织一个团队来研究这项有趣的新发现。他的小组中有实验科学家沃尔特·布拉顿和理论家约翰·巴丁。这个小组在刚开始的一段时间没有取得任何进展。印第安纳州拉斐特的珀杜大学也在进行类似的研究，而贝尔实验室的这个研究小组也十分关注那里的工作进展。

后来巴丁发现，晶体表面的抑制作用会干扰电流的流动。布拉顿的一个实验证明了巴丁的发现是正确的。1947年12月23日，晶体管（即三极管）诞生了。晶体管具备了真空管的全部功能，而且功能更强。它的尺寸更小、发热更少，而且不会烧坏。

集成电路

最重要的是，若干个晶体管的功能可以合并到一个半导体装置中。研究人员很快就着手制造这些复杂的半导体。因为这类装置将大量的晶体管集成为一种更复杂的电路，所以被称为集成电路。由于它们本身是一些轻薄的硅片，人们也称它们为晶片或芯片。

制造芯片是一个复杂且费用高昂的过程，很快就产生了一个专门制造芯片的完整产业链。最早开始生产商用芯片的是当时的电子器件公司，其中较早的一家创业公司是肖克利半导体公司，由肖克利于1955年在他的家乡加州帕洛阿尔托创办。肖克利的公司雇用了当时半导体领域中的许多佼佼者，其中有些人没在公司干多长时间。肖克利半导体公司后来又派生出仙童半导体公司，而硅谷就是以此发源的。

仙童半导体公司成立10年后，其离职员工几乎遍布所有的半导体公司。甚至像20世纪60年代进入半导体产业的摩托罗拉之类的大型电子元件公司，也雇用了不少曾在仙童工作过的工程师。除了RCA公司、摩托罗拉和德州仪器公司之外，大多数半导体公司都在圣克拉拉谷地，距离帕洛阿尔托的肖克利的公司不过一箭之遥。由于半导体芯片几乎都是硅片，圣克拉拉谷地很快便以“硅谷”之名闻名于世。半导体产业的发展速度惊人，半导体产品的尺寸和价格也以相同的速度下降。行业竞争异常激烈。

起初，除了军事和宇航工业，其他领域几乎都不需要高度复杂的集成电路。某些类型的集成电路则多用于大型计算机和微型计算机中。其中，最为重要的是内存芯片，即那些只要通电即可存储并保存数据的集成电路。内存芯片使半导体装置成为主流。

当时的内存芯片实现了几百个晶体管的功能。其他集成电路的设计目的不是将流经其中的数据保留下来，而是以某种方式修改这些数据，以便进行简单的算术或逻辑运算。到20世纪70年代初期，市场对电子计算器的疯狂需求促进了一种新型的、功能更强大的计算机芯片的诞生。