電晶體:一種半導體三極管
一小塊鍺,做到了真空管所做的事——放大與開關——卻不必燒燈絲。
一顆灰色的金屬小石子,能做到一只發光玻璃管所做的一切——把微弱的訊號放大、把電流開開關關——卻是冷的、極小的,而且經久耐用。
核心想法
1948 年之前,電子學的主力是真空管:一個玻璃泡,裡頭有一根發光的燈絲,能放大微弱訊號,或當作開關用。真空管管用,可它笨重、發燙、易碎、耗電,還像燈泡那樣會燒壞。一台收音機或早期電腦,得用上成千上萬只。
巴丁與布拉頓證明:同樣這兩份活——放大與開關——可以在一小塊叫做半導體的特殊材料裡完成,既不要燈絲,也不要真空。把兩根細絲緊挨著按在一塊鍺晶體上,一根絲上的微小電流,便能支配另一根絲上大得多的電流。小小的擺動進去,變成大大的擺動出來:這就是放大。或者把輸入在「關」與「開」之間猛地一推,輸出便啪地隨之斷、合:這就是開關。他們把它叫做電晶體。
它是如何誕生的
貝爾實驗室,是美國電話公司的研究部門,它想為日益龐大的電話網,找一個比真空管更好的東西。由物理學家威廉·肖克利領銜的一個小組,已為此苦幹了多年。在肖克利的頭一個設想失敗之後,約翰·巴丁——一位沉靜的理論家——想明白了緣由:電荷被困在了晶體的表面。在實驗家沃爾特·布拉頓的實驗台旁,他們終於在 1947 年 12 月 16 日讓它運轉起來,一週後便放大了語音。貝爾於 1948 年 6 月 30 日公開宣布。
可凱旋之中,夾著齟齬。身為小組主管的肖克利,並未參與那最後的關鍵實驗,深感被冷落。在隨後的數月裡,他發明了一個更結實、更實用的版本——接面電晶體——它終將勝出。三人共享了 1956 年的諾貝爾獎,但他們的失和拆散了小組,也間接地把日後締造矽谷的那批人才,散播了出去。
它為何重要
此後幾乎一切電子之物,都靠著這一個把戲運轉。把電晶體縮小,在一小片矽上印出數百萬只,你就有了一枚微晶片。你口袋裡的手機,裝著數百億只,每一只都是那塊鍺上兩根細絲的直系後代。整個數字時代——電腦、網際網路、每一塊螢幕與每一只感測器——都立足於:能用固態的物質,廉價地、以十億計地,造出一只可靠的「放大器兼開關」。
一個可以想像的畫面
想像一個水龍頭。手柄輕輕一擰,便能支配從水管裡奔湧而出的一股強勁水流——遠比你指頭使的那點力氣要大。電晶體就是一只沒有活動部件的電學水龍頭:小小的輸入電流是手柄,它支配著流經器件的、大得多的電流。把它擰開一半,你就能平滑地塑造水流——那是放大。把它猛地全開或全關——那是開關,就是拼寫出一切數字之物的那些 1 與 0 的「開/關」。
它的位置
真空管讓早期的無線電和最初的電子電腦成為可能,卻也定下了一道硬頂:機器只能造到那麼大、燙到那麼熱。電晶體抬高了這道頂。它是一道樞紐,連接起計算的抽象構想——圖靈的通用機、夏農的位元、布林的邏輯——與那個讓它變得廉價的物理現實。從這裡起,線索通往積體電路、微處理器,以及你正用來讀這段文字的那台設備。
公開宣告
工作原理
增益
Using the point-contact geometry, an overall power gain of the order of 100 (20 db. or more) was obtained, the input being a small change in emitter current and the output a large change in collector voltage across the load.