71年前的一个发明改变了世界__纪念晶体管诞生71周年—

71年前的今年，被誉为“21世纪最伟大发明”的晶体管诞生，这项发明涉及科学和技术、团体和社会之间的微妙关系。一起来回顾改变了计算乃至数字世界的伟大芯片，并讲述它们背后的人和故事。

1947年12月23日，第一个基于锗半导体的具有放大功能的点接触式晶体管面世，标志着现代半导体产业的诞生和信息时代正式开启。

在晶体管诞生之前，放大电信号主要是通过电子管 (真空三极管)，但由于制作困难、体积大、耗能高且使用寿命短，人们一直希望能够用固态器件来替换它。

1945 年，贝尔实验室开始对包括硅和锗在内的几种新材料进行研究，探索其潜在应用前景。一个专门的“半导体小组”成立了，威廉·肖克利 (William Shockley) 担任组长，成员包括约翰·巴丁 (John Bardeen) 和沃尔特·布拉顿 (Walter Brattain)。

在经过多次失败之后，他们终于在71年前的今天，实现了第一个半导体晶体管，也就是上文所述的基于锗半导体的具有放大功能的点接触式晶体管。肖克利、巴丁和布拉顿也因此获得了诺贝尔物理学奖。

点接触式晶体管：把间距为50 μm的两个金电极压在锗半导体上，微小的电信号由一个金电极 (发射极) 进入锗半导体 (基极) 并被显著放大，然后通过另一个金电极 (集电极) 输出，这个器件在1kHz的增益为4.5。来源：贝尔实验室

巴丁 (左)、布拉顿 (右) 和肖克利因为晶体管的发明，共同获得了1956年的诺贝尔物理学奖。

晶体管被誉为“20世纪最伟大的发明”，它的出现为集成电路、微处理器以及计算机内存的产生奠定了基础。

20世纪五六十年代，肖克利在推动晶体管商业化的同时，造就了如今加州电子工业密布的硅谷地区。晶体管发明的历史非常复杂，牵扯到科学和技术、团体和社会之间的微妙关系。

现如今，从播放音乐、合成语音、存储数据、数码摄影、GPS定位到传输和处理互联网上的海量数据，我们的日常生活中芯片已经成为不可或缺的产品。

这其中，有一些芯片直接或间接地为改变世界的一些产品赋能，影响了整个计算世界。

起初的工作是基于肖克利偏爱的金属-半导体结构，在多次尝试失败之后，巴丁认识到半导体的表面缺陷有着非常不利的影响，必须找到“钝化”表面(消除缺陷)的方法。从1947年11月起的短短几个月时间里，他们取得了重大的进展，终于实现了第一个半导体晶体管。

实际上，这个时期发明了两种全然不同的晶体管：巴丁和布拉顿在1947年12月发明了点接触式晶体管，把间距为50μm的两个金电极压在锗半导体上，微小的电信号由一个金电极“(发射极”)进入锗半导体“(基极”)、被显著放大，并通过另一个金电极“(集电极”)输出，这个器件在1kHz的增益为4.5；一个月后，肖克利发明了三明治结构的双极性结式晶体管，最外面的两层是N型半导体，中间则是P型半导体，但是直到1950年，蒂尔(G. Teal)和斯帕克斯(M. Sparks)才制作出锗基NPN结式晶体管。

从实用的角度来看，点接触式晶体管的产量非常有限，不能算是商业上的成功；结式晶体管却使得现代半导体工艺成为可能，为许多半导体公司的兴起做出了重大贡献。1956年，巴丁、布拉顿和肖克利因为晶体管的发明而获得了诺贝尔物理学奖。

从20世纪50年代起，晶体管开始逐渐替代真空电子管，并最终实现了集成电路和微处理器的大批量生产。

起初，晶体管和晶体管化的设备并不受欢迎，因为它太贵了。但是美国军方很感兴趣，因为军用设备对便携性、可靠性和耐用性有着特殊的要求。在50年代的大部分时间里，正是美国军方的支持才让年轻的晶体管产业生存下来。1957年，苏联卫星“斯普尼克”上天，正式掀起了美苏太空竞赛的序幕。1961年，美国肯尼迪总统宣布“在1970年以前把人送到月球上”。与苏联相比，美国的火箭技术略微落后一些，所以减轻重量就更有必要了，所有的电子设备都尽可能地使用晶体管。以晶体管为基础的半导体产业也因此而突飞猛进。集成电路成为了这个时期的主角。

在晶体管诞生以后的十年里，出现了很多新型的晶体管。1950年，日本的西泽润一(J. Nishizawa)和渡边宁(Y. Watanabe)发明了结式场效应晶体管(JFET)。1952年，基于晶体管的助听器和收音机就投入市场了。1954年，贝尔实验室的坦恩鲍姆(M.Tanenbaum)制备了第一个硅晶体管；同一年，跳槽到德州仪器公司的蒂尔实现了商业化的硅晶体管。1956年，通用电气公司发明了晶闸管。在这个时期，晶体管化的电子线路是通过导线把单个半导体元件连在一起的，已经初步展示了半导体器件的威力。

以电子计算机为例，第一台通用电子计算机ENIAC是在1946年投入使用，1956年退役，它使用了大约2万根真空三极管，占用了一间大房子(167平方米)，耗电150kW，计算能力仅为每秒钟进行5000次加减法(20位的十进制数)。1954年，贝尔实验室开发了第一台晶体管化的计算机TRADIC，使用了大约700个晶体管和1万个锗二极管，每秒钟可以执行1百万次逻辑操作，功率仅为100瓦。1955年，IBM公司开发了包含2000个晶体管的商用计算机。

单个半导体元件虽然很有用，但是，如果能够把几个晶体管结合在同一块半导体材料上，肯定会更有用的。在20世纪50年代，很多人都有了这个念头，但是第一个实现了这个想法的是德州仪器公司的基尔比(J. Kilby)。1958年9月12日，他制作了第一个锗片上的集成电路，其中的晶体管和被动元件是用金丝连接起来的。1959年，仙童公司的诺伊斯(R. Noyce，他后来创立了英特尔公司)提交了平面工艺的专利，用铝作为导电条制备集成电路。从此，集成电路的时代开始了。2000年，基尔比因为发明了集成电路而荣获诺贝尔物理学奖。

接下来的十年，晶体管的进展就更加迅猛了。简单举几个例子吧。1959年，贝尔实验室的卡恩(D. Kahng)和艾塔拉(M. Atalla)发明了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，这是1925年李林菲尔德(J. Lilienfeld)提出的场效应晶体管概念的具体实现；1967年，卡恩和施敏(S. M. Sze)制作了浮栅型MOSFET，为半导体存储技术奠定了基础。

1965年还发生了一件大事，仙童公司的摩尔(G. Moore，他也是英特尔的创始人之一)提出了摩尔定律(Moore’s law)：集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18~24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍(摩尔定律起初说是每年翻一番，十年后改为两年翻一番)。这个定律本来是描述此前半导体产业发展的经验公式，结果竟然奇迹般地揭示了此后五十多年信息技术进步的速度。

为了协调半导体产业的发展，从90年代起，国际半导体产业界开始筹划研究路线图，包括美欧日韩及中国台湾等半导体产业发达的国家和地区。从1998年开始，半导体技术国际路线图(International Technology Roadmap for Semiconductors)每两年发布一次。然而，2016年发布的新的路线图，首次不再强调摩尔定律，而是超越摩尔的战略(More than Moore strategy)：以前是芯片先行、应用跟随(应用跟着芯片走)，今后则是芯片为应用服务。

自摩尔定律（集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番）诞生以来，半导体科技和产业的发展日新月异、突飞猛进。1969年，贝尔实验室的博伊尔(W. Boyle)和史密斯(G. Smith)发明了电荷耦合器件(CCD)，并最终引发了照相技术的大革命，使用了一百多年的照片被淘汰了，每个人的手机上有摄像头了。1971年，英特尔公司推出了第一批4位的商用微处理器Intel 4004(具有2300个晶体管)，1972年更是推出了8位的商用微处理器Intel 8008(具有3500个晶体管)，起初是导致了袖珍计算器的普及，进而导致了个人电脑的出现。

1976年，克雷公司推出了Cray-1超级计算机，运算速度达到了惊人的2.5亿次。此后，苹果个人电脑、IBM兼容机、互联网的出现和发展，终于把我们带到了大数据的时代，发生在2016年的两大代表性事件就是：阿尔法狗(AlphaGo)战胜围棋世界冠军李世石；“神威·太湖之光”夺得超级计算机世界排行榜的第一名，每秒可以实现9.3亿亿次的浮点运算。

现在的电子晶体管板发展迅猛，信息化的浓厚味道。