半導體電路

半導體電路可能是20世紀最偉大的發明了。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備晶體管，它開啟了整個微電子領域。威廉·肖克利（WilliamShockley）為這一發現整整努力了兩年，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·巴丁（JohnBardeen）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，取得這項發現，但他們恰恰做到了。1947年11月，實驗師布拉坦的一次偶然發現，讓理論物理學家巴丁對電流在半導體表面的行為有了關鍵性的新理解。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月宣布了這一發現，但直到1951年肖克利改進了這個設計，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。制作N型半導體只需向其中加入電子濃度較高的雜質，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出來。第一種半導體設備是二極管，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。在半導體結上施加外部電壓并進行電壓調節，就可以控制半導體結的整體導電性。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量控制而是由中間層帶正電的空穴數量決定的。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年左右就出現了放大器，當時的電子工程師在真空管（又稱電子管）的基礎上，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。

第一款商業晶體管于1949年上市。緊隨其后的是項真正標志性的發明：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，能快速、可靠地響應輸入電壓，在“開”與“關”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經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鍵優勢是體積小，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端。如今，一塊半導體微芯片上能放置數十億個晶體管。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備，都應用了晶體管及其他半導體部件。