晶体管:一种半导体三极管
一小块锗,做到了真空管所做的事——放大与开关——却不必烧灯丝。
一颗灰色的金属小石子,能做到一只发光玻璃管所做的一切——把微弱的信号放大、把电流开开关关——却是冷的、极小的,而且经久耐用。
核心想法
1948 年之前,电子学的主力是真空管:一个玻璃泡,里头有一根发光的灯丝,能放大微弱信号,或当作开关用。真空管管用,可它笨重、发烫、易碎、耗电,还像灯泡那样会烧坏。一台收音机或早期计算机,得用上成千上万只。
巴丁与布拉顿证明:同样这两份活——放大与开关——可以在一小块叫做半导体的特殊材料里完成,既不要灯丝,也不要真空。把两根细丝紧挨着按在一块锗晶体上,一根丝上的微小电流,便能支配另一根丝上大得多的电流。小小的摆动进去,变成大大的摆动出来:这就是放大。或者把输入在「关」与「开」之间猛地一推,输出便啪地随之断、合:这就是开关。他们把它叫做晶体管。
它是如何诞生的
贝尔实验室,是美国电话公司的研究部门,它想为日益庞大的电话网,找一个比真空管更好的东西。由物理学家威廉·肖克利领衔的一个小组,已为此苦干了多年。在肖克利的头一个设想失败之后,约翰·巴丁——一位沉静的理论家——想明白了缘由:电荷被困在了晶体的表面。在实验家沃尔特·布拉顿的实验台旁,他们终于在 1947 年 12 月 16 日让它运转起来,一周后便放大了语音。贝尔于 1948 年 6 月 30 日公开宣布。
可凯旋之中,夹着龃龉。身为小组主管的肖克利,并未参与那最后的关键实验,深感被冷落。在随后的数月里,他发明了一个更结实、更实用的版本——结型晶体管——它终将胜出。三人共享了 1956 年的诺贝尔奖,但他们的失和拆散了小组,也间接地把日后缔造硅谷的那批人才,散播了出去。
它为何重要
此后几乎一切电子之物,都靠着这一个把戏运转。把晶体管缩小,在一小片硅上印出数百万只,你就有了一枚微芯片。你口袋里的手机,装着数百亿只,每一只都是那块锗上两根细丝的直系后代。整个数字时代——计算机、互联网、每一块屏幕与每一只传感器——都立足于:能用固态的物质,廉价地、以十亿计地,造出一只可靠的「放大器兼开关」。
一个可以想象的画面
想象一个水龙头。手柄轻轻一拧,便能支配从水管里奔涌而出的一股强劲水流——远比你指头使的那点力气要大。晶体管就是一只没有活动部件的电学水龙头:小小的输入电流是手柄,它支配着流经器件的、大得多的电流。把它拧开一半,你就能平滑地塑造水流——那是放大。把它猛地全开或全关——那是开关,就是拼写出一切数字之物的那些 1 与 0 的「开/关」。
它的位置
真空管让早期的无线电和最初的电子计算机成为可能,却也定下了一道硬顶:机器只能造到那么大、烫到那么热。晶体管抬高了这道顶。它是一道枢纽,连接起计算的抽象构想——图灵的通用机、香农的比特、布尔的逻辑——与那个让它变得廉价的物理现实。从这里起,线索通往集成电路、微处理器,以及你正用来读这段文字的那台设备。
公开宣告
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.