《芯片简史系列》

上一节：1.点接触晶体管的发明

第二天12月24日一早，布拉顿、巴丁以及研究组长肖克利迫不急待地返回实验室，与同事摩尔（H.Moore）一起搭建了振荡器电路，并且从示波器上看到了期待的周期性的正弦波时钟信号。从此，没有人再怀疑这种新器件的功能了。布拉顿将实验内容记录在专门的记录本上，并画下了实验装置的草图。实验室给每个研究人员配备这种带有连续页码的记录本，以作为将来确认原始发现以及申请专利的证据。笔记本不能随意撕掉和涂改，重要的地方还要同事过目签字确认。实验室立即将此事列为机密，任何人都不允许向外人透露一点消息。在圣诞节前发明了晶体管是送给节日的最好礼物。实验室的小组成员皮尔森(G.Pearson)、吉布尼(R.Gibney)和摩尔(H.Moore)等人虽不能公开跟其他人自豪地谈起事，但个个欢欣鼓舞，喜上眉梢，毕竟，花费了十余年时间研究的工作终于取得了突破，谁不会感到欣欣然呢？

但有一个人除外。他脸色凝重，显得心事重重。他不是别人，正是发明这个晶体管的固体物理研究小组的组长——肖克利。他非但高兴不起来，甚至感到有些苦涩正暗暗涌上心头。因为提出这个新发明的人不是他本人，而是他的手下巴丁和布拉顿。肖克利隐隐约约觉得自己的作用被忽略了，这让他感到难言的不快。

肖克利毕业于麻省理工学院，是固态物理专业科班出身的博士。他一直是固体物理研究小组的头，负责把握研究方向，由组员来开展具体研究。在贝尔实验室，肖克利最先提出了用半导体的电场效应来实现信号放大的思想。尽管遇到了困难，后来由巴丁和布拉顿提出的电流放大效应实现了另外一种点接触式晶体管，但肖克利觉得，巴丁和布拉顿所做的一切都离不开自己最初提出的电场效应思想的指引。

一种挥之不去的挫折感从肖克利的内心生发出来，他觉得自己十多年来的努力没有直接导致第一个晶体管的重大发明，至少在其中自己并没有贡献最关键的部分。这让他和巴丁、布拉顿之前亲密无间的关系开始发生了一点微妙的变化。他觉得他本应该在这个重大发明中也应该占据一个重要的位置，可是先机却溜到了巴丁和布拉顿那里。肖克利不愿服输，他这种不服输和敢于挑战的个性由来已久，在攀岩这个爱好上得到了充分体现。每到周末肖克利就在实验室广撒“英雄帖”，约上三五个同好带上旧衣服和绳子，一起到郊外陡峭的岩石上攀爬。加州某处陡峭的攀岩路线曾经以肖克利的名字命名。

一想到布拉顿制作的那只简陋的晶体管，肖克利心中的醋意就越来越浓。布拉顿发明的晶体管都是手工制作，一个三角劈，一块粗陋的锗晶体，还有那头重脚轻的接触点和一个笨拙的塑胶框架。肖克利清楚，这样的玩意称得上是发明，但是这种摇摇欲晃的器件很不可靠，更没法大批量生产，离研究部主任凯利（Mervin Kelly）跟他提出的实用可靠的固态晶体管还差得十万八千里呢！更令人匪夷所思的是，巴丁和布拉顿还没有完全搞清楚这只晶体管的输出电流究竟是从晶体表面流过的还是从内部流过的！具有讽刺意味的是，虽然他们俩不能完全解释这个“点接触晶体管”，但有一点是肯定的，它绝不是肖克利一开始提出的“场效应晶体管”。

后来肖克利回顾这段日子，将之称为“创造性失败（creative failure）”。 肖克利首先提出了用“场效应”原理实现固体放大器，后来这个创意失败了。但是研究小组的其他成员并没有就此停步，而是从失败中找到了表面态这个原因，继续深究下去，先于他揭开了晶体管的秘密。但是肖克利觉得，“个人的失败并不是对自己能力的贬低，而应当看做通往进步的垫脚石，才能激发出更好的创意。对否定的否定，就是一种创新。”¹肖克利觉得自己仍有机会，或许他可以搞清楚这背后的原理，说不定还能想出一种紧凑而优雅的晶体管，完美地超越那个点接触晶体管。他不仅要探求“真”，还要追求“美”。

肖克莱记得，研制晶体管的任务是由贝尔实验室的研究部主任凯利亲自向他提出来的，那是1936年。后来第二次世界大战爆发，肖克莱一度离开贝尔实验室去了海军研究部加入到作战方面的研究中，战争结束才重新回到实验室。这期间研究一度中断，战后又重新组建了包括布拉顿和巴丁的研究小组。现在凯利下达的这个任务终于完成了。在这个本来高兴的日子，肖克莱却没有心情庆祝，他宁愿沉浸在往事的回忆中。 

肖克利心中一算，自己进入贝尔实验室已经11个年头了。那时他博士即将毕业，他陆续收到了几份聘书，其中最令他心动的是耶鲁大学物理系助理教授的职位。就在他准备接受这个职位时，贝尔实验室的研究主管凯利却在那年3月底意外地找上门来。凯利看中的是肖克利的量子力学的背景，正好可以弥补实验室在这个新兴学科上的不足。他热情地邀请肖克利加入当时还在纽约市西大街463号的贝尔实验室，把年薪开到了3000美元，并且还有机会跟未来的诺贝尔物理学奖获得者戴维森（C.J.Davisson）一起工作。最后一点让肖克利心动了。

在见习期间的一天，凯利主动来到了肖克利的办公室。这天凯利坐下后，开始谈起他心中长久以来的一个想法，那就是关于贝尔电话系统的未来前景…… 当年贝尔和华生发明电话时，只需用一根电线连接两部电话机。但是当许多家庭和办公室都有了电话机后，就不能简单把每两部话机直接连接起来。为了提高效率，每部电话机都连接到电信局的电话交换机上，在那里完成两条线路之间的连接^[]。 1889年已经发明了电话交换机，它以机电方式自动切换线路。

到了1930年代，电话交换机普遍使用继电器来自动切换线路。继电器这是一种机电开关，受电流控制而开合。交换机收到电话号码后，分析并找出被叫号码所在的线路，然后发送电流信号到特定的继电器上。电流在继电器的线圈里流动而产生磁场，吸引金属弹片开合，完成线路切换，每次切换大约需要几毫秒。但是继电器的金属弹片反复碰撞容易磨损甚至打出火星，随着城市电话系统容量不断增大，交换机中的继电器越来越多，维修和替换的成本大大增加。凯利对肖克利说，他期盼着将来有一天这种机械开关能被一种安静、快速、可靠和不会打火星的电子开关替代。凯利特意强调，未来的电话交换机应该是全电子化的，这应该是贝尔实验室追求的一个重要目标！ 

当时，贝尔实验室隶属于美国电话电报公司，公司的核心业务是电话交换，尤其是长途电话系统。长途电话信号经过一段距离衰减后需要经过一个中继站再次放大，继续传播。中继站使用真空管放大信号。这是一种抽成真空的玻璃管，内置电极。它呈圆柱体，外面有一层玻璃罩，开机后会慢慢变热，发出微微的红光或黄光。如果只有阴极、阳极，那么它叫做真空二极管；如果除了阴极和阳极，还有第三个电极，就是真空三极管。为了理解真空管，我们需要做个比喻。假设有一种激光剑，当遇到沟堑时，点亮激光剑并指向对岸，强烈的光线延伸为一座桥梁，从此岸直抵彼岸。现在，只需把激光变成一串流动的电子、并且将激光剑缩小到一个指头大小的真空玻璃罩里，我们就有了真空二极管。让我们继续这个激光剑的比喻，就能理解更强大的真空三极管了。如果这座激光桥要通过一个师的军队和车马，一束窄激光就太拥挤了，需要让桥面变宽。如果这把剑上有一个旋钮，旋动它激光就会变宽，反向旋动则会变窄。换言之，轻轻动一下手指就可以控制强大的激光。将旋钮的轻微转动变为激光桥的大幅改变，这就是人们期待已久的放大功能。如果把旋钮拧到底，就关掉了激光剑，这样就实现了开关。可以说三极管比二极管还要重要。

但问题是，真空管个头不小、发热严重，经常故障需要维修。在收音机这种只有几个真空管的场合，发生故障的次数还不太明显。但是在需要大量使用真空管作为计算单元的设备里（如计算机中），真空管故障的次数大大增加。凯利不看好真空管在未来几十年中的发展，在他眼里这位魔术师已经显露出疲态，虽然此时光芒四射，但他相信再过几年真空管一定垂垂老矣。他希望能够用更加轻便、紧凑、不用真空玻璃管的固体放大器替代。这番话直击肖克利的心头，因为他的博士专业正是固体物理。

带有玻璃罩的真空管 (Wikipedia & pikist.com public domain)

凯利在这方面不可不谓颇有先见，当凯利跟肖克利进行这番谈话时，真空管正如日当空。彼时，真空管在长途和无线通信、调幅和调频广播、传真机、录音机和电视等各个方面渗透入人类社会。无线电报将五大洲联系在一起，长途电话可以让人们实时交谈，真空管制成的收音机带给人娱乐和世界上的最新消息。真空管就像一位魔术师把人类一步步带入了现代信息社会，并且占据了统治地位。

真空管在让位给晶体管之前，已经把所有这些通信和信息技术的基础挖掘出来了。真空管最大的缺憾就是，没有掌握“缩身术”。贝尔实验室在这方面具有前瞻眼光，比其他人更早地摸到了时代的脉搏。凯利把这项任务交给了一个他亲自挑选的新科博士——肖克利。凯利这番谈话在肖克利心中激起了一阵波澜，他意识到自己的基础研究应该与中长期的应用目标结合起来，才能发挥出最大的效用。

如果今天我们仍使用真空管，情况会怎么样呢？如今随便一部主流手机里都有上千亿个晶体管，以2000亿个真空管为例，这个数字大约是银河系中已知的恒星数量。一个真空管大约等于一块方糖。如果用一块方糖替代一个真空管，这2000亿的真空管总共有100万吨。目前世界上最大的货轮之一“宇宙号”，船长400米，宽58米，能装1.4万个集装箱，需要5艘这样的货轮才能装载完这2000亿块方糖。而如果采用晶体管，这2000亿个晶体管能轻巧地躺在你的手掌之上。

虽然真空管已是明日黄花，但是它统治了20世纪上半叶，无论是收音机、电视机、还是长途电话、计算机的发明离开了真空管都是无法想象的。真空管第一次实现了二极管和三极管的功能，并启发了后来的晶体管。说起来可能很多人不相信，这么一个多面手的真空管，无论从形状还是原理上跟我们熟知的电灯泡非常相似。这是怎么回事呢？让我们继续往前追溯到十九世纪电灯泡的发明，看一看它是如何一步步变成了真空管。

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