1　从电子管到晶体管的一跳

1999年，美国《洛杉矶时报》评选出“50名本世纪经济最有影响力人物”，其中并列第1名的有3个人：美国发明家威廉·肖克利、罗伯特·诺伊斯和杰克·基尔比。肖克利是晶体管的发明人之一，基尔比是集成电路之父，诺伊斯在基尔比的基础上发明了可商业生产的集成电路。

排在第2位至第4位的分别是现代汽车工业奠基人亨利·福特、连任四届美国总统的罗斯福，以及创办迪斯尼动画王国的沃尔特·迪斯尼。

回顾20世纪，无论是科技、商业，还是政治、军事、娱乐，几乎每一个领域都发生了狂飙突进式的巨变，并且都诞生了足以载入史册的重要人物。那么，在“群星闪耀”的20世纪，为什么是3位发明家获得最具影响力第1名的殊荣呢？

要知道，晶体管被誉为“20世纪最伟大的发明”之一，而集成电路的发明被认为是“奠定第三次科技革命的基石”。环顾我们今天的生活，手机、计算机、电视、汽车等所有设备，都离不开一种最核心的关键元器件——芯片。芯片就是半导体集成电路的硬件化，而集成电路最基本的物理单元就是晶体管。晶体管可以称为人类从物理世界通向数字世界的“细胞”。

因此，如果你认可电子信息技术所造就的巨大经济社会价值，那么，你一定就会同意将“最具影响力”的殊荣送给这3个人。但是排名只是对历史的一种“简化”，推动这场技术革命的殊荣要分享给投身其中的众多科学家、发明家和企业家。

回到历史现场，完整还原半导体技术产业链条中的关键人物和重要节点，成为我们重新理解这场堪称“奇迹”的技术变革的基本方法论。而一旦回到现场，可能又会发现这样一个事实：所谓的“奇迹”并不神秘，一切皆有迹可循。

1947年12月，世界上第一个晶体管在位于美国新泽西州的贝尔实验室被发明出来。但这不是这场技术变革的第一现场。先将目光投向19世纪末，前往爱迪生实验室，去瞥一眼那束照亮电子世界的微弱电流。然后再重新出发，回顾“电子管”长达半个世纪的传奇经历，从技术和产业变革的内在逻辑中，去理解为什么是一个“晶体管”最终赢得了历史的青睐，开创了被称为第三次技术革命的电子信息时代。

1883年，爱迪生正饱受碳丝灯泡寿命问题所扰，他突发奇想地在真空电灯泡内部的碳丝附近安装了一小截铜丝，希望铜丝能阻止碳丝蒸发，但毫无悬念地失败了。不过他却发现，那根没有连接到电路的铜丝竟然产生了微弱的电流。尽管当时他并没有特别重视这一现象，但这位敏感的发明家仍然为这一发现申请了专利。

后来，这一现象被称为“爱迪生效应”，其产生的原因就是热能使物体上的电子克服束缚位能，通过热激发产生载流子。

受此启发，英国物理学家约翰·弗莱明在1904年发明了世界上第一个电子管——真空二极管（图1-1-1），并获得了这项发明的专利权。

1906年，美国工程师德·福雷斯特在真空二极管的基础上又加入了一个栅极，发明出新型的真空三极管（图1-1-2），使真空管在检波和整流功能之外，还具有放大和震荡功能。德·福雷斯特后来拿到了真空三极管的专利。

1911年，加入美国联邦电报公司的德·福雷斯特再次改进了真空三极管的排列方式，发明了20世纪最重要的一个电子器件——电子放大器，它可以大幅改进电报信号的输出质量。也正是基于这些功能，真空三极管被认为是电子工业诞生的起点。

此后的30多年，真空电子管技术和工艺得到大幅改良，并成为欧美几个大国重点争夺的“核心技术”。除了在无线电通信、广播领域的应用外，真空电子管还带来了全新的电子技术和最早的电子计算机。

20世纪初，随着真空三极管的发明，人们意识到可以实现电子信号传递，而放大的三极管可以用于模拟计算。在真空三极管这样的电子器件基础上，人们研制出了电子模拟计算机。

1927年，为解决真空三极管的放大信号在远距离传输中效果不稳定的问题，年轻的工程师哈罗德·布莱克提出了负反馈放大器的解决方案，并于1934年申请了专利。这一解决方案也成为运算放大器的核心原理，一直沿用至今，并且还使利用电子信号进行数学运算真正得以实现。

1941年，德国人康拉德·楚泽使用了大量真空管，制造出第一台可编程的电磁式计算机，能够在每秒内执行3至4次加法运算。1944年，哈佛大学研究人员霍华德·艾肯在IBM总经理托马斯·沃森的支持下，用机电方式研制出了MARK I号计算机，每秒可执行3次加法或减法运算。

“二战”时，由于出现了类似快速计算火炮弹道的需要，电子计算机开始有了非常现实的应用空间。到1946年，宾夕法尼亚大学的工程师埃克特等人共同研制出了真正意义上的第一台通用型电子计算机——ENIAC（图1-1-3）。这台计算机使用了约18000只电子管，重约30吨，占地面积约170平方米，每秒钟可做5000次加法运算，在当时堪称奇迹。

ENIAC成为这一时期真空管电子计算机最先进的代表作，也显示出电子计算机的广阔应用前景。在此基础上，数学家冯·诺依曼对ENIAC做了关键性改进，完善后的计算机模型至今仍然是现代计算机的基础架构。

不过，ENIAC的缺陷也非常明显，庞大的体积、巨额的功耗、高昂的成本，以及受到真空管短暂寿命影响而带来的高检修率，使真空管计算机难以实现微型化和规模普及。

现实的需求和问题呼唤技术的创新，半导体材料的发现让变革成为可能。基于半导体材料的晶体管的出现，让新一代电子计算机登上历史舞台，一骑绝尘，开启了我们现在熟知的“摩尔定律”时代。

1947年的12月23日下午，圣诞节前两天，贝尔实验室的沃尔特·布拉顿和希尔伯特·摩尔来到实验室进行半导体放大实验。他们将一个具有放大功能装置的一端连接到一个麦克风，另一端连接到一副耳机。摩尔与布拉顿用麦克风讲话，其他人则从耳机里听到了被放大了18倍的声音。这一实验的成功标志着第一个基于锗半导体的点接触式晶体三极管的诞生（图1-1-4）。

完成这一项目的是贝尔实验室肖克利领导的固体物理研究小组。1945年，肖克利牵头成立了这一小组，并和化学家斯坦利·摩根、固体物理学家约翰·巴丁、实验物理学家沃尔特·布拉顿一起开始了对于半导体材料的研究。

经过多次失败，他们尝试用锗和硅来制造半导体放大器。1947年12月15日，在布拉顿精湛技术的操作下，终于完成了一个由锗块、金线、弹簧、电池等组成的装置，并且观察到随着锗块上两个接触点的靠近而产生的电压放大作用。

第二天，布拉顿在实验笔记中写下：“在锗表面上，用点接触方法加上两个电极，间隔400微米，此时1.3伏的直流电压被放大了15倍。”在这个实验数据下面，肖克利作为小组组长和见证人签上了名字。这一装置在几个月之后被贝尔实验室正式命名为“晶体管”。晶体管的英文为Transistor，即由传导（Transfer）和电阻（Resistor）两个词合成。

有趣的是，专利之争再次出现在晶体管的发明权上。尽管晶体管的理论是基于肖克利的场效应理论，肖克利也直接参与了整个研究过程，但是这一晶体三极管的专利申请书上没有他的名字。当时专利代理律师给出的理由是，肖克利的场效应理论与一项1925年生效的专利冲突，另外，1947年12月23日那场决定晶体管诞生的实验中，肖克利本人并不在场。

这一结果自然让肖克利非常生气，天才的愤怒就是用才华来回应他人的质疑。一个月后，也就是1948年1月23日，肖克利提出了更先进的结型晶体管的构想。1950年，第一个结型晶体管问世。同年11月，肖克利发表了论述半导体器件原理的著作《半导体中的电子和空穴》，从理论上详细阐述了结型晶体管的原理。至此，肖克利再次证明了他在晶体管的发明上具有独一无二的贡献。

1956年，因为对半导体的研究贡献和晶体管的发明，肖克利与巴丁和布拉顿共同荣获当年的诺贝尔物理学奖（图1-1-5）。

晶体管的发明，并非一个天才一时的灵光乍现，即便是肖克利这样聪明又勤奋的科学家，也是在团队的协助下才真正将发明落地。而在此之前，还需要长达一个世纪的理论准备和半导体材料的技术积累。

1833年，英国科学家法拉第在测试硫化银特性时，发现硫化银的电阻随着温度的上升而降低，这是人类首次发现的半导体现象。此后数十年间，半导体的光生伏特效应、光电导效应、半导体导电单向性的整流效应陆续被发现。

进入20世纪，关于半导体的整流理论、能带理论、势垒理论终于在众多科学家的努力下相继完成，而肖克利对半导体的整体理论的构建正是在前人的基础上完成的。

同样，半导体材料也在科学家们对半导体理论的研究中逐渐成熟。最初科学家利用半导体材料的整流效应来制作检波器（点触式二极管）。1907年到1927年，美国的物理学家成功研制晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年，兰治和伯格曼成功研制硒光伏电池。1932年，德国先后成功研制硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器。

此后，四价元素锗和硅成为人们常用的半导体材料。而在肖克利发明锗半导体的晶体三极管的几年后，人们发现硅更适合生产晶体管。此后，硅成为应用最广泛的半导体材料，这也是美国北加州那块狭长湾区被称为“硅谷”而不是“锗谷”的原因。

总体来说，使用半导体材料制成的晶体三极管，既具有真空电子管的功率放大和开关作用，又避免了真空电子管高耗能、低寿命、低效率的致命缺陷。更为关键的是，半导体晶体管以不断缩小的工艺特点，为电子设备的微型化提供了可能。更小的体积、更快的速度、更可靠的稳定性，让晶体管成为现代电子信息技术革命的基石。

从1954年到1956年，美国共销售了13亿个真空管，市场价值超过10亿美元，而这期间共销售锗晶体管1700万个、硅晶体管1100万个，价值约5500万美元。两者看似相差悬殊，但此后真空管迅速衰落，晶体管正式登场。

简要回顾完从电子管到晶体管的跃迁的关键历史现场和重大技术节点之后，我们可以再一次确认晶体管的发明并非奇迹，导致其最终出现的每一个技术因素，都可以在将近百年的电子技术的演化过程中得到还原。

电子管在电子计算机上的成功应用，已经从原理和实践上证明了电子元件的广阔前景，晶体管只是完成了对电子管的功能的完美复制。半导体材料的独特优势又解决了电子管难以克服的问题，使晶体管可以在微型化的道路上一骑绝尘。

最终，晶体管得以在1947年，由肖克利、巴丁、布拉顿这些在半导体领域倾力投入的创新者手中问世。

如果我们能够和弗莱明、德·福雷斯特、肖克利等人一起工作的话，就一定会切身感受到这些科学家、发明家们在技术创新上的非凡热情，以及他们想把技术发明转化为商业财富的巨大渴望。

如果我们再把视野放大到这些天才们身处的时代环境，就会发现英国、美国先后成功主导两次工业革命的关键在于，逐步建立起的一整套鼓励自由竞争的市场体制、企业争相参与的技术研发机制，以及国家信誉保证的专利制度。

正是在竞争激烈但规则有序的市场环境中，科学研究和技术发明才得到了来自商业方面最大限度地投入和支持，企业的商业利益也因为技术成果的转化而得到最大化的实现。

在上面出场的科学家和发明家的背后，我们能够看到一长串知名企业的名单：马可尼公司、通用电气公司、西屋电气公司、西门子股份公司、IBM、仙童半导体公司等。后面我们会再次回到历史的现场，和这些名声赫赫的企业与人物相遇，见证他们所开启的这场风起云涌的半导体产业浪潮。