晶体管：替代真空管的未来技术

1883年，美国发明大王爱迪生为电灯泡的金属灯丝在高温下容易蒸发伤透了脑筋。他尝试着在加热的灯丝附近装上一块金属片，在给金属片接上电流计时，他意外地观察到没有连接上电路的金属片居然有微弱的电流产生。爱迪生不知道这是什么原因以及它能起什么作用，但颇具商业头脑的他还是申请了专利，并将它命名为“爱迪生效应”。爱迪生没有料到，他在无意中开启了电子学的大门。

后来人们知道，当金属物质被加热时，高温会导致金属物质上的电子活性增强并产生游离现象，此时若附近有一正电压强力吸引，游离的电子就会在处于真空状态的空间中流动。基于这一认识，英国物理学家弗莱明制造出第一支二极真空电子管。二极管内部封装阴极和阳极两个电极。当加热的阴极与电源负极相连、阳极与电源正极相连时，电子从阴极跑到阳极，二极管导通，表现为没有电阻的导线；反之，二极管不通，表现为一个没有合上的开关。所以二极管起到单向阀门的作用，因此它也被叫作“弗莱明阀门”。二极管无论是外观还是本质就是一个灯泡，只是没有像灯泡一样给灯丝通电发光，而是用一个发射器喷射出电子，电子在越过真空后被一个接收器收到。

1907年，美国发明家德福雷斯特尝试着在二极管的阴极和阳极之间增加了一个电极，他惊讶地发现加在中间电极上的电荷量的大小会导致阴极和阳极之间的电子流的速度产生明显的变化，从而让真空电子管拥有了将电子信号放大的作用。三极真空电子管（简称真空管或电子管）解决了电流或电波在传送信号的过程中逐渐衰弱的问题，让信号的无线传送成为可能。德福雷斯特惊喜地宣称：“我发现了一个看不见的空中帝国。”

由于真空管能在不失真的前提下放大微弱的信号，使得收音机、电视、步话机、对讲机、移动电话等收发电子信号的设备的出现成为可能，为广播、电视和无线通信等技术的发展铺平了道路。如果以真空管充当开关器件，其速度要比有百分之一秒延时的继电器快成千上万倍，真空管因此还受到计算机研制者的青睐。二战期间，美国陆军为了提高火炮弹道计算速度，出资支持宾夕法尼亚大学开发出了世界上第一台通用电子计算机“埃尼阿克”（ENIAC），计算机的历史从此跨进了电子的纪元。一个真空管的发明居然同时推动了通信和计算机两大产业的发展，而这两大产业因为以相同的电子元器件为基础，在未来几十年后又融为一体，成为当今世界最为重要的信息通信（ICT）产业。

真空管的发明被视作电子工业诞生的标志，它整整统治了全球电子产业40余年的时间。但真空管也有很多问题。由于真空管的电子是在真空状态中传送的，真空状态会带来很大的大气压强（对大气压强缺乏概念的读者可以了解一下那个16匹大马才能拉开两个真空半球的马德堡半球实验），并且真空管体积大、易破碎、有慢性漏气风险且制造工艺复杂。真空管要加热后才能使用，这导致其还有启动慢、能耗大的问题。二战中，真空管的缺点暴露无遗，在雷达工作频段上使用的真空管效果极不稳定，应用了真空管的移动通信装备笨拙且易出故障。使用了18000个真空管的ENIAC计算机重量超过30吨，占地170多平方米，耗电量惊人，而且平均每15分钟就会烧坏一个真空管，操作员不得不频繁地停工检修。因此，许多科学家都在努力寻找能在固体状态中控制电子的传送、能像真空管一样起到放大和开关作用的电子器件。

德福雷斯特把他的真空管专利以39万美元的高价出售给了美国电话电报公司（AT&T）。美国电话电报公司的前身是美国贝尔电话公司，由电话的发明人贝尔创建。自成立以来，依靠丰厚的通信业务利润，美国电话电报公司一直是全世界最大的电信运营商，并拥有自己的通信设备制造企业——西部电子公司，及全世界最强大的企业实验室——贝尔实验室。贝尔实验室致力用半导体制造可替代真空管的电子管。半导体是一种神奇的材料，它在常温下的导电性能介于导体与绝缘体之间，而且在掺杂微量杂质后能够改善导电性能。到了1947年12月，约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿终于取得了成功，他们发明了用锗制成的可替代真空管的点接触式晶体管（transistor）。贝尔实验室没把项目领导威廉·肖克利列为这一专利的发明人。肖克利很不高兴，他继续推进并发明了结型晶体管（junction transistor）。点接触式晶体管的产量非常有限，不能算是商业上的成功；结型晶体管性能更可靠且易生产，使得现代半导体工艺成为可能。

晶体管的体积、重量和能耗远远小于真空管，结实可靠、寿命很长，可彻底解决真空管固有的缺陷。贝尔实验室不仅发明了晶体管，还发明或改进了与半导体产品生产相关的晶体提纯、掩膜、光刻和扩散等技术。可是，美国电话电报公司没有成为半导体产业的领军者。它只打算研究晶体管在通信领域的用途，此外就是收取晶体管专利的授权费用。贝尔实验室自1925年成立以来，平均每天都要申请一个专利，已经习惯了在专利授权上躺着赚钱。可是，时代在变化，晶体管问世两年后，针对美国电话电报公司在美国电信业的垄断地位，美国司法部展开了反托拉斯调查。美国电话电报公司被要求限制其在电子通信设备和服务方面可能有碍自由市场竞争的商业活动，并且必须以合理的价格出售专利许可或者以专利交换的形式允许其他厂商使用其专利。总之，美国电话电报公司必须容忍竞争对手的存在。

在反托拉斯诉讼的威胁下，美国电话电报公司不得不将晶体管及其相关的半导体技术以很低的价格对外授权，授权费不过区区2.5万美元。实验室里做出的晶体管离产业化应用还有很长一段路要走，这里有着巨大的商业机会。有二三十家企业获得了晶体管技术的授权，其中包括真空管时代的电子行业巨头通用电气公司和美国无线电公司（RCA）。这两家公司的前者由爱迪生创办，后者由通用电气、美国电话电报公司和西屋电气联合创建。除了这些巨头，不少嗅觉灵敏的小公司或初创企业也勇敢地进入了晶体管的研究和生产领域。

与电子公司不同，国际商业机器公司（IBM）、美国电话电报公司和摩托罗拉公司这类计算或通信领域的大公司则积极研究晶体管的应用。1954年，贝尔实验室开发了第一台晶体管计算机TRADIC，使用了大约700个晶体管和10000个二极管，每秒钟可以执行100万次逻辑操作，效率是ENIAC的200倍，功率仅为100瓦。计算机因为晶体管的问世发生了跨时代的巨大进步。

由晶体管的发明引发的半导体技术革命很快就席卷了整个电子产业界。晶体管和晶体管化的电子设备在刚开始的时候并不受欢迎，因为以锗为材料的晶体管太贵，而且性能不稳定，对高温、潮湿和震动非常敏感。硅管替代锗管势在必行，但硅管的工艺要复杂很多，硅的提纯需要1415℃的高温，远高于锗的937℃。在这样的高温下，几乎所有物质都会与融化的硅发生化学反应，很难保证硅的纯度。谁也没想到，在硅管商业化技术上取得突破的竟是一家名叫德州仪器的小公司。(www.xing528.com)

德州仪器总部位于美国得克萨斯州中北部的达拉斯。得州盛产石油，德州仪器的前身地球物理业务公司就是做石油勘探的。二战期间，地球物理业务公司开始扩大业务，为美国军队生产国防电子产品。电子业务发展成为地球物理业务公司的支柱产业，最终独立门户，重组成立德州仪器。原来的地球物理业务公司后来变成德州仪器的一个子公司，应市场需求而不断转型也成为德州仪器的企业基因。得州这样落后的地方居然也有企业想做高精尖的晶体管？尽管“相当受到奚落”，德州仪器还是得到了晶体管技术的专利授权。德州仪器的执行副总裁帕特·哈格蒂是个相当有雄心壮志和战略眼光的人物，在获得技术授权后，他就开始大力寻找人才，挖人直接挖到了发明晶体管的贝尔实验室。

得州是美国非常独特的一个州，在历史上它甚至独立过。得克萨斯共和国宣布脱离墨西哥后，存在了整整10年才宣布取消独立并加入美国。得州是仅次于加利福尼亚州的美国第二大州，得州人以狂野的个性而自豪，自称“a fierce texan”，有很重的家乡情结。所以，当戈登·蒂尔得知得州居然也有想做半导体的企业，就高兴地回到故乡，进入德州仪器担任研发主任。贝尔实验室人人对蒂尔的离职啧啧称奇，因为贝尔实验室名满天下，得州则被认为是个只有石油和牛仔的蛮荒之地，更不要谈有什么高科技。

在高温提炼纯硅的技术突破后，1954年2月，蒂尔研制出了第一个可商用的硅晶体三极管。三个月后，蒂尔参加了一个半导体学术会议。当蒂尔讲到德州仪器已成功制造出硅管，并从口袋里掏出几个硅管时，台下昏昏欲睡的听众马上清醒过来，大家都抱着怀疑的态度。蒂尔取出两部各用锗管和硅管制成的收音机，然后让人拿来一桶热水，他把两部收音机先后放入热水中，锗管收音机马上断了音乐，硅管收音机仍然音乐声不断。会场马上炸开了锅，许多人冲出会场去打电话，他们冲着电话嚷道：“他们在得克萨斯做出硅晶体管了！”

美国军方马上相中了德州仪器开发的硅管，大规模采购并应用于雷达、导弹系统。军用设备对便携性、可靠性和耐用性有着特殊的要求，对价格倒是不太在乎。在20世纪50年代的大部分时间里，正是美国军方的支持才让新生的半导体产业得到了快速的发展。苏联于1957年率先发射了第一颗人造卫星，美国举国震惊，加大了在太空竞赛上的投入。与苏联相比，美国的火箭技术略微落后一些，所以更重视减轻重量，所有太空用的电子设备都尽可能地使用硅管，以硅管为基础的美国半导体产业也因此突飞猛进。

军方需求的数量毕竟有限，为了扩大硅管的市场，德州仪器发明了世界上的第一台晶体管收音机。哈格蒂孤注一掷地投入200万美元建立硅管的生产线，将硅管的价格从16美元降到2.5美元。在那个年代，收音机的重要性不亚于后来的电视机或手机，美国家家户户至少必备一个收音机。第一年，德州仪器就卖出去了10万台晶体管收音机。尽管每台售价49.95美元，相当于现在的1000美元，德州仪器在晶体管收音机的业务上仍然是亏钱的。不过，德州仪器的目的达到了，它成功吸引了IBM的关注。为了与价格只有1美元的锗管竞争，德州仪器再次扩大硅管的生产规模，将硅管的价格降到1.5美元，从而获得了IBM计算机的晶体管采购订单。小小的德州仪器一跃成了半导体产业的领跑者。

晶体管替代真空管是一个巨大的进步，工程师们得以设计出许多更加复杂的电子设备。不管什么电子设备，都需要将各种电子器件相互连接以形成电子线路，而完全通过人工将成千上万个电子器件焊接到同样数量级别的导线上，整个工序耗时耗力且成本高昂。又由于每个焊接接头都可能出现故障，故电子线路越复杂，可靠性就越低，其成品率完全依赖操作人员的熟练度和责任心。美国海军的一艘航空母舰有35万个电子设备，有上千万个焊接点，这样的工程量让电子设备的低生产效率和低产品质量变得难以忍受。

工程师们面临的挑战是寻找可靠而又低成本的方式来生产这些电子器件并将它们彼此相连。英国皇家雷达研究所的杰夫·达默第一个提出了集成电路的设想：把一个电路所需的晶体管和其他器件制作在一块半导体上。提出这个想法很容易，关键在于找到实现这一方法的工艺。

当时的人们提出了两种解决方法。一种方法是用薄膜制造各种器件，不能用薄膜做的器件后加上去，这一思路后来发展成了平面光刻工艺。另一种方法是美国通信兵团提出来的“微模块”计划。该计划的理念是将所有电子器件的尺寸和外形做得一模一样，并将接线内嵌至元件中，然后只要将各个模块卡在一起，就能组成电路，从而不再需要用电线连接。

因为在半导体领域中的领先地位以及和军方的良好合作关系，德州仪器被美国国防部拉进了电子设备微型化计划，接下了“微模块”的研发任务。