晶体管的起源及发展历程

20世纪40年代的第二次世界大战中，美国陆军部在新型火炮研发中设立了“阿伯丁弹道研究实验室”，复杂的计算要求使美国军方对高速计算有了庞大的需求。1942年，宾夕法尼亚大学莫尔学院的约翰·莫奇利（John W.Mauchly）教授建议以电子管为基本元件制造计算机，获得美国陆军部的认同。次年，莫奇利与24岁的研究生埃克脱（J.Presper Eckert）组织团队开始研制电子数字积分计算机（Electronic Numerical Integrator and Computer，简称ENIAC）。研究进行3年后，世界上第一台电子数字积分式计算机―“埃尼克”（ENIAC）问世，电子计算机时代的到来，为集成电路的发展需求埋下了种子。

莫奇利所使用的电子管，其源头可以追溯到爱迪生的发明。1883年，美国发明家爱迪生发明炭丝电灯后，发现灯丝老是在正极烧断。于是，爱迪生便在灯泡中加入小金属板并连接到电表，施加正电压和负电压以观察电流。由此，爱迪生通过实验得出“在灯丝与金属片之间的真空间隙内有电流流过，而且电流具有单向流动特性”的结论。炭丝加热后，载流子能从炭丝里发射出来，这些载流子可能是电子或者离子，因而在灯丝与金属板间形成电流。根据金属加热时自由电子容易产生游离的现象，爱迪生认为可以制成电流计、电压计等电器，并由此申请了专利，命名为“爱迪生效应”。1889年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆孙（Joseph John Thomson）进一步解释了“爱迪生效应”：灼热的灯丝会发射一种带负电荷的粒子，它们穿过灯丝与金属片之间的真空间隙，被金属片所收集，这就是爱迪生在实验中测量出的电流。1897年，汤姆孙测出了这种带负电的粒子的荷质比，用实验证明了电子的存在。

1904年，英国电机工程师、物理学家安布罗斯·弗莱明（J.Ambrose Fleming）根据“爱迪生效应”揭示的电子单向流动特性，发明了装有灯丝和板极的真空二极管。在弗莱明提出的专利中，这种二极管被称为振荡阀。两年后，美国科学家德福雷斯特·李（De Forest Lee）在弗莱明的真空二极管中引入了第三个电极（栅极），制造出了第一只真空三极管。1912年，美国电话电报公司和通用电气公司在德福雷斯特的三极管基础上研制出高真空管：“阴极”（Cathode，以K代表）代表阴性释放电子流；“屏极”（Plate，以P代表）连接正电压；“栅极”（Grid，以G代表）在阴极与屏极之间，通电压可以控制电子流量。此后，电子器件不断应用，再生式收音机（1912年）、超外差式收音机（1919年）、广播电台播音（1920年）和超外差无线电收音机（1922年）相继问世，远程无线电通信、无线电话、收音机、广播、雷达、惯性导航、电视、有声电影、高频加热炉及计算机等消费类电子问世。

莫奇利利用电子管制造计算机，源于第二次世界大战的需求。然而，第二次世界大战也证明了电子管重量大、能耗大、寿命短、制造工艺复杂、易出故障的局限。1946年贝尔实验室的肖克利提议开展半导体研究，与沃特·布拉顿（Walter Brattain）、约翰·巴丁（John Bardeen）等组成团队，选中硅、锗半导体作为研究对象研发替代电子管的器件。次年，在肖克利的理论指导下，巴丁和布拉顿成功地制造出第一只晶体管。1948年，肖克利构思出可以利用平面工艺（如扩散、掩膜等）进行大规模生产的结型晶体管。(www.xing528.com)

图3　肖克利和他的同事在贝尔实验室（1948年）左起：约翰·巴丁、威廉·肖克利和沃尔特·布拉顿

同一年，贝尔实验室的克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon）发表了著名的论文“通信的数学理论”（A Mathematical Theory of Communication），奠定了现代信息论的基础，香农定理成为指导后来通信技术发展的基础理论。在这些综合因素的作用下，发明集成电路的曙光已现。1952年，英国雷达研究所科学家杰夫·达默（Geoffrey Dummer）首次提出集成电路的设想：“可以把电子线路中的分立元器件，集中制作在一块半导体硅片上，一小块硅片就是一个完整电路。这样一来，电子线路的体积就可大大缩小，可靠性大幅提升。”

在肖克利实验室成立的时候，美国材料学家富勒和赖斯发明了半导体生产的扩散工艺，为集成电路的发明提供了工艺技术基础。1957年，美国通用电气公司开发出世界上第一款晶体晶闸管（可控硅整流器）产品，此后便迎来了杰克·基尔比（Jack Kilby）与诺伊斯的天才发明。