半導體電路

半導體電路可能是20世紀最偉大的發(fā)明了。1947年，美國電話電報公司（AT&T）的貝爾實驗室制作出了第一件實用的半導體設(shè)備晶體管，它開啟了整個微電子領(lǐng)域。威廉·肖克利（WilliamShockley）為這一發(fā)現(xiàn)整整努力了兩年，但他一直都充滿干勁。1945年，肖克利開始用半導體來開發(fā)一種新的電子放大器。半導體材料的導電性不足以讓它成為導體，但又不夠絕緣也不屬于絕緣體。聰明但又冷漠的肖克利選擇在家辦公，讓同事沃特·布拉坦（WalterBrattain）與約翰·巴?。↗ohnBardeen）在新澤西州的貝爾實驗室自由地開展實驗。

肖克利并不認為他們會在沒有他的情況下推進項目，取得這項發(fā)現(xiàn)，但他們恰恰做到了。1947年11月，實驗師布拉坦的一次偶然發(fā)現(xiàn)，讓理論物理學家巴丁對電流在半導體表面的行為有了關(guān)鍵性的新理解。布拉坦用塑料、金箔和半導體鍺拼湊出了一件放大器，并進行了測試。這個放大器成功了，能用很小的輸入電壓來控制龐大的電流。這是史上首個晶體管，英其中的“man”意為“轉(zhuǎn)換”，而resistor”則是文名為“transistor控制電流的電阻器。貝爾實驗室于1948年6月宣布了這一發(fā)現(xiàn)，但直到1951年肖克利改進了這個設(shè)計，人們才意識到它的重要性。1956年，肖克利、巴丁和巴拉坦共同獲得了諾貝爾物理學獎。

N型，P型

半導體的導電是通過帶負電的電子的運動（這是普通導體的工作方式）或電子移動所留下的帶正電的“空穴”的運動實現(xiàn)的。電子濃度較高的半導體被稱為N型半導體，而空穴濃度較高的半導體則被稱為P型半導體這兩種半導體是通過將純半導體“摻雜”制得的，即向純半導體中摻雜質(zhì)。制作N型半導體只需向其中加入電子濃度較高的雜質(zhì)，如砷。而向半導體中加入缺少電子的摻雜劑，如鎵，就能制作出P型半導體。

人們早就知道半導體材料的存在，最常見的有類金屬元素硅和鍺，但它們在電路中的可能應用并沒有立即顯現(xiàn)出來。第一種半導體設(shè)備是二極管，二極管是一種電流只能單向流動的電子元件。19世紀末時，德國物理學家卡爾·費迪南德·布勞恩（KarlFerdinandbraun）制作出了第一個二極管。由于連接半導體晶體的導線很像胡須，所以當時二極管被稱為“貓須”。但這個“貓須”并不可靠。巴丁團隊的目標更遠大。他們意識到，多片N型和P型材料可一起組成一個半導體結(jié)。在半導體結(jié)上施加外部電壓并進行電壓調(diào)節(jié)，就可以控制半導體結(jié)的整體導電性。而這就是最終制作出晶體管的思路。晶體管工作原理。

晶體管可以看做是由N型和P型材料層交替疊加而成的三明治。在NPN晶體管中，提高中間層（P型）的電壓會增加中間層的電子，從而令中間層的導電性強于外層材料，使得通過晶體管的電流增加。PNP晶體管中的導電過程與NPN晶體管類似，但電流強度不受電子數(shù)量控制而是由中間層帶正電的空穴數(shù)量決定的。從最基本的層面上來說，晶體管就是電子放大器。晶體管可以讓人們用很小的電壓來控制非常大的電流，比如將微弱的無線電信號通過擴音器放大，好讓人們能聽到。這沒有什么新鮮的。1907年左右就出現(xiàn)了放大器，當時的電子工程師在真空管（又稱電子管）的基礎(chǔ)上，制作出了最原始的電路。真空管使用密閉燈泡中排列的金屬電極來控制電流。但這些真空管脆弱、昂貴、不可靠，且非常笨重。而貝爾實驗室的晶體管直徑只有1.3厘米，并且很快就在其他方面超越了真空管。

第一款商業(yè)晶體管于1949年上市。緊隨其后的是項真正標志性的發(fā)明：晶體管收音機。第一款晶體管收音機于1954年上市，定價49.95美元，相當于現(xiàn)在的400美元左右。收音機并沒有馬上流行起來，直到20世紀60年代，收音機的制造價和零售價大幅降低，它才開始廣泛流行。不過晶體管的重要應用還在后頭。晶體管不僅是放大器，它還是開關(guān)，能快速、可靠地響應輸入電壓，在“開”與“關(guān)”之間切換。真空管也能做到這一點，但卻很有限，晶體管則高效得多系列半導體晶體管開關(guān)經(jīng)過特定排列后可以制作成不同的邏輯門，用以處理信息。正是基于邏輯門，才出現(xiàn)了神奇的電子計算機。

少即是多

1953年，英國曼徹斯特大學制造出了世界上第一臺晶體管計算機。之后在20世紀50年代和60年代里，誕生了更多晶體管計算機。晶體管計算機的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是體積小，比真空管計算機要更緊湊。1958年，隨著半導體微芯片（即硅片）的發(fā)明，計算機變得更小了。一小塊半導體圓晶上可以放置許多晶體管，電器的小型化由此發(fā)端。如今，一塊半導體微芯片上能放置數(shù)十億個晶體管。這些晶體管小到能放到血細胞的表面，而且價格非常便宜，1美元就能買到5000萬個。因此，從手機到航天火箭等各種電子設(shè)備，都應用了晶體管及其他半導體部件。