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文丨腦極體
1999年，美國《洛杉磯時報》評選出「50名本世紀經濟最有影響力人物」，其中並列第一名的有三個人：美國發明家威廉·肖克利、羅伯特·諾伊斯和傑克·基爾比。肖克利是電晶體的發明人之一，諾伊斯和基爾比是集成電路的發明人。
排在第二至四位的分別是現代汽車工業奠基人的亨利·福特，連任四屆美國總統的羅斯福，以及創辦迪斯尼動畫王國的沃爾特·迪斯尼。
回顧二十世紀，無論是科技、商業，還是政治、軍事、娛樂生活，幾乎每一個領域都發生了狂飆突進式的巨變，每個領域也都誕生出了足以彪炳史冊的「關鍵」人物。在二十世紀的「群星閃耀」中，我們該如何理解三位發明家能夠位列第一的殊榮呢？
要知道，電晶體被譽為「20世紀最偉大的發明」，而集成電路的出現又真正奠定了第三次產業革命的基石。如果這樣說略顯抽象，不如我們換一個說法。在我們今天的生活中，手機、電腦、電視、汽車等所有的電子設備中，都離不開一種最核心的硬體——晶片。而晶片正是由半導體集成電路來實現的，而集成電路最基本的物理單元就是電晶體。電晶體，就是我們從物理世界通向數字世界的「細胞」。
如果你認可電子信息技術以及由此帶來的數字經濟的巨大價值的話，那麼你一定也會同意將「最具影響力」的殊榮送給他們三人。當然你也知道，排名不過是我們對歷史的一種「簡化」認知，真正的殊榮也要分給推動這一技術實現的每一個科學家、發明家以及商業家們。
回到歷史現場，成為我們重新審視這場技術「奇蹟」的基本方法。當我們一點點還原出構成這一技術鏈條中的重要人物和重要節點，可能又會發現一個這樣的事實：技術「奇蹟」並不存在，一切都有跡可循。
那麼，在回到1947年12月23日位於美國新澤西貝爾實驗室的第一個晶體三極體發明現場之前，我們必須將目光先投向更早的十九世紀末，來到愛迪生實驗室，去瞥見那一束照亮電子世界的微弱電流。由此重新出發，我們首先將經歷一段「電子管」半個世紀的傳奇故事，找尋到技術突破和產業變革背後的內在動因，才能最終理解「電晶體」出現的真正意義。
序曲：捕捉電子的起點紛爭
1883年，飽受碳絲燈泡壽命問題困擾的愛迪生突發奇想，他在真空電燈泡內部碳絲附近安裝了一小截銅絲，希望銅絲能阻止碳絲蒸發，但毫無懸念，碳絲再一次蒸發了。不過他卻發現，那根沒有連接到電路的銅絲竟然產生了微弱的電流。儘管當時他並沒有特別重視這一現象，但這位敏感的發明家仍然為這一發現申請了專利。
此後，這一現象被稱為「愛迪生效應」，而這一現象發生的原因就是熱能使得物體上的電子克服束縛位能，通過熱激發產生載流子。受此啟發，英國物理學家約翰·弗萊明在1904年發明了世界上第一個電子管——真空二極體，並獲得了這項發明的專利權。真空二極體也被視作開啟電子時代的鼻祖。
（弗萊明發明的真空二極體）
1906年，美國工程師李·德·福雷斯特在弗萊明二極體的基礎上又多加入了一個柵極，發明出新型的真空三極體，使得真空管在檢波和整流功能之外，還具有了放大和震蕩功能。福雷斯特於1908年2月18日拿到了這項專利。
（福雷斯特發明的真空三極體）
1911年，加入聯邦電報公司的福雷斯特，再次改進了真空三極體的排列方式，發明了二十世紀最重要的一個電子器件——電子放大器，可以大幅改進電報信號的輸出質量。也正是基於這些功能，真空三極體被人們認為是電子工業誕生的起點。
歷史的弔詭之處就在於，兩位發明人並未首先從這項發明中獲益。由於弗萊明聲稱他擁有電子管的優先發明權，因此他所就職的英國馬可尼公司就大張旗鼓地生產起真空三極體來，福雷斯特對此當然十分不滿，將馬可尼公司告上法庭。
直到1916年，經歷十年的訴訟，法庭最後判決福雷斯特的三極體觸犯了二極體的專利權，而馬可尼生產的三極體也侵害了福雷斯特公司註冊的三極體專利權。最終結果是兩敗俱傷，兩家公司都不準許再繼續生產三極體。
專利權的紛爭儘管延緩了電子管的普及速度，但是我們更要記住的是，正是專利制度對於發明權的保護，才能成為這些技術公司和技術人員孜孜不倦地推動技術革新的動力之源。
此後三十多年，真空電子管技術和工藝得到多次改良，真空三極體技術也成為歐美幾個大國重點爭奪的「核心技術」。除了在無線電通信、廣播領域的應用外，真空電子管帶來了全新的電子技術和最早的電子計算機。
過渡：真空管的短暫「巔峰」時刻
二十世紀初，隨著真空三極體的發明，人們已經意識到可以實現電子信號傳遞和放大的三極體可以用於模擬計算。
模擬計算的原理就是通過具體的電壓值來表示物理世界的數量值，再通過真空三極體這一的電子器件組成的系統，按照加減乘除等數學運算法則來對電壓進行變化，最終得到一個同樣用電壓值表示的運算結果，這樣就使用電子器件完成了對物理世界的模擬和分析。這一器件被稱為「運算放大器」，在此基礎上，人們研製出了電子模擬計算機。
最早的真空三極體的信號放大作用，被貝爾實驗室用於電話通信中，解決了弱信號的遠距離傳輸問題，但是放大器的增益仍存在不穩定的問題。1927年，時年29歲的年輕工程師布萊克開始著手研究這一問題，提出了負反饋放大器的解決方案，並在1936年將負反饋放大器引用在電話機的放大線路中。
至此之後，負反饋放大器一直成為運算放大器的核心原理沿用至今，並且使得利用電子信號進行數學運算真正得以實現。
技術的突破帶來硬體應用的加速。1941年，貝爾實驗室的卡爾·施瓦茨爾在布萊克的專利技術基礎上，設計出第一款商用的真空管運算放大器——加法器。同年，德國人康拉德·楚澤使用了大量真空管，製造出第一臺可編程電子計算機，能夠在每秒內執行3-4次加法運算。
1944年，哈佛大學研究人員霍華德·艾肯在IBM總經理託馬斯·沃森的支持下，用機電方式研製出了MARK-1號計算機，可以實現每秒200次以上的運算。
二戰時，由於像快速計算火炮彈道等需要，電子計算機有了非常現實的應用空間。1946年，賓夕法尼亞大學的工程師埃克特和物理學家毛希利等人共同研製出了真正意義上的第一臺通用型電子計算機——埃尼阿克（ENIAC）。這臺使用了18000多隻電子管，重130多噸，佔地面積170多平方米，每秒鐘可作5000多次加法運算。之前的計算機需要2小時完成的40點彈道計算，ENIAC只需要3秒鐘，在當時堪稱奇蹟。
（1946年，當時世界最先進的真空管電子計算機ENIAC）
ENIAC顯示出電子計算機的巨大應用前景，成為這一時期真空管電子計算機的最先進代表。在此基礎上，數學家馮·諾依曼對ENIAC作了關鍵改進，完善了現代計算機的模型，至今仍然是現代計算機的基礎架構。
不過，ENIAC因其龐大的體積、巨額的功耗、短暫真空管壽命以及由此帶來的高檢修率，造成這一代真空管計算機難以實現獲得快速升級和大規模普及。現實的需求呼喚技術的革新，半導體材料的出現讓技術的革新成為可能。
出道即巔峰，巔峰即落幕，成為真空管電子計算機的宿命。很快，電晶體的出現讓新一代電子計算機登上了歷史舞臺，並且一騎絕塵開啟了我們熟知的「摩爾定律」的時代。
登場：電晶體的「奇蹟」時刻
1947年的12月23日下午，聖誕節前兩天，瓦爾特·布萊頓和希爾伯特·摩爾仍舊來到實驗室，再次進行半導體放大實驗。他們將這個裝置的一端連接到一個麥克風，另一端連接到一副耳機。摩爾與布萊頓用麥克風講話，其他人則從耳機裡聽到了他們被放大了18倍的聲音。這一實驗的成功標誌著第一個具有放大功能的基於鍺半導體的點接觸式晶體三極體的誕生，這一天被視為電晶體的誕生日。
（貝爾實驗室誕生的第一個鍺半導體點接觸式電晶體）
完成這一項目的正是貝爾實驗室肖克利領導的固體物理研究小組。1945年，肖克利牽頭成立了這一小組，並和化學家斯坦利·摩根、固體物理學家約翰·巴丁、實驗物理學家瓦爾特·布萊特等人一起開始了對於半導體材料的研究。經過多次失敗，他們嘗試用鍺和矽來製造半導體放大器。
12月15日，在布萊頓的精湛技術操作下，完成了這個由鍺塊、金線、彈簧、電池等組成的裝置，並且觀察到隨著鍺塊上兩個接觸點的靠近而產生的電壓放大作用。第二天，布萊頓在實驗筆記中寫下：「在鍺表明上，用點接觸方法加上兩個電極，間隔400微米。此時1.3伏的直流電壓被放大了15倍。」在這個實驗數據下面，肖克利作為小組組長和見證人，籤上了名字。這個裝置在幾個月之後被貝爾實驗室稱為「電晶體」（Transistor），由傳導（Transfer）和電阻（Resistor）兩個詞合成。
不過，一個有趣的細節再次出現在電晶體專利的申請上面。儘管電晶體的誕生是基於肖克利的場效應理論，肖克利也直接參與了整個研究過程，但是這一晶體三極體的專利申請書上沒有他的名字。專利代理律師給出的理由是肖克利的場效應理論與一項1925年生效的結型MOS專利衝突，另外，進行那項決定電晶體誕生的實驗時，肖克利本人並不在場。這一結果自然讓肖克利非常生氣。
天才的憤怒就是用更高的成就來回應此事。一個月後，也就是1948年1月23日，肖克利提出了更先進的結型電晶體的構想。1950年，第一隻結型電晶體問世，同年11月，肖克利發表了論述半導體器件原理的著作《半導體中的電子和空穴》，從理論上詳細闡述了結型電晶體的原理。至此，肖克利再次證明了他在電晶體上面獨一無二的貢獻。
（巴丁<左>、布拉頓<右> 和肖克利<中>）
1956年，因為在半導體的研究貢獻和電晶體的發明，肖克利與巴丁和布拉頓分享了當年的諾貝爾物理學獎。
我們看到，電晶體的發明，並非一個天才一時的靈光乍現。即使是肖克利這樣聰明又勤奮的科學家，也需要在團隊的協助下實現技術的創新。而在此之前，更是需要長達一個世紀的理論準備和材料發現。
1833年，英國科學家法拉第在測試硫化銀特性時，發現硫化銀的電阻隨著溫度的上升而降低，這是人類首次發現的半導體現象。此後數十年間，半導體的光生伏特效應、光電導效應、半導體導電單向性的整流效應被陸續發現。進入二十世紀，關於半導體的整流理論、能帶理論、勢壘理論，才在眾多科學家的努力下不斷完成。而肖克利對半導體的整體理論構建其實是在前人的基礎上完成的。而半導體理論的基礎又離不開近代物理學，特別是量子力學理論的指導。
同樣，半導體材料也是在對半導體理論的研究中逐漸成熟。最早科學家利用半導體材料的整流效應來製作檢波器（點觸式二極體）。從1907年到1927年，美國的物理學家研製成功晶體整流器、硒整流器和氧化亞銅整流器。1931年，硒光伏電池研製成功。1932年，德國先後研製成功硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛等半導體紅外探測器。
此後，四價元素鍺和矽成為最常用的材料，而在肖克利發明鍺半導體的晶體三極體的幾年後，人們發現矽更適合生產電晶體。此後，矽成為應用最廣泛的半導體材料。這也是美國北加州被稱為「矽谷」而不是「鍺谷」的原因。
總體來說，使用半導體材料而製成的晶體三極體，既具有了真空電子管的功率放大和開關作用，又避免了真空電子管高耗能、低壽命、低效率的致命缺陷。另外，利用電晶體可以不斷縮小的工藝特點，為電子設備的微型化提供了可能。更小的體積、更快的速度、更可靠的穩定性，讓電晶體真正成為現代信息技術革命的基石。
1954到1956年，全美國共銷售了1700萬個鍺電晶體和1100萬個矽電晶體，價值約5500萬美元，而同期的真空管銷售了13億個，市場份額超過10億美元。但這幾乎是真空管落幕前最後的「榮光」了。此後，電晶體將一騎絕塵，帶來電子計算機的指數級發展。
凡終章，皆序曲：「奇蹟」背後的創新邏輯
當我們簡要回顧完從電子管到電晶體的躍遷的若干關鍵歷史現場和幾乎主要的技術節點之後，我們可以再一次確認，電晶體，這一帶給全人類信息技術革命的「奇蹟」發明，其之所以能夠出現的每一個要素都可以在之前百年的技術演化中得到還原。
真空電子管的發明，已經從原理上或者說結構上，通過對電子的控制完成了對數位訊號的處理，真空管電子計算機的實現更是從實踐上證明了數字計算的廣闊前景。而電晶體只需要完成對真空管原有功能的一次「完美複製」。
（巴丁、布萊頓發明的點接觸型三極體和肖克利發明的結型三極體結構圖）
當然，這一突破並不容易。電晶體的出現同時還需要人類對於半導體材料和特性的真正掌握。而這一進程也花費了百年時間。最終，在肖克利、巴丁、布萊頓等人對半導體特性的熟練掌握和對半導體PN結結構的創造性試驗中，才將可以替代電子管放大器的晶體三極體給「奇蹟」般的創造出來。
如果我們能夠回到弗萊明、福雷斯特、肖克利等人生活的年代，與其一起工作的話，我們還會深切地感受到這些科學家、發明家對於科學理論研究和新技術發明的巨大熱情。同時，我們也還能感受到他們對於技術發明轉化為商業成功的巨大渴望。
如果我們再把視野放大，審視這些發明天才所處的時代環境，就會發現像英美這樣完成兩次工業革命的同時，所建立起的一整套的自由競爭的市場體制、鼓勵創新的公司研發機制以及國家信譽保證的專利保護制度。正是在競爭激烈但規則有序的市場環境當中，科學的研究和技術的發明獲得了來自商業最大程度的投入，商業利益也因為技術成果的轉化而得到最大化的實現。
在眾多的科學家和發明家的背後，我們能夠列舉出一長串的知名企業的名單：馬可尼無線電公司、通用電氣、西屋電氣、西門子、IBM、美國電話電報公司（AT&T），以及未來我們會看到的德州儀器、仙童、英特爾等等。
接下來，我們將回顧矽半導體的技術史，深入到矽晶體的演進現場，來見證矽電晶體的時代到來。至於這位偉大的物理天才肖克利，我們也將在更後面看到他極具爭議的人生下半場，以及由他所開啟的那個「矽谷時代」。
參考文獻：
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2.《電子科技》，「史蒂夫·賈伯斯列『50名本世紀經濟最有影響力人物第五位』」，1999年12月20日。
3.《實用影音技術》，「膽機是怎樣走過來的（上）」，2010年第10期。