1947年12月23日，美国新泽西州，贝尔实验室。
三位科学家围在一个简陋的实验装置前。装置由一块锗晶体、两根金属丝和一些塑料组成，看起来毫不起眼。
“准备好了吗？“其中一人问。
另一人点点头，接通了电源。示波器上的波形发生了变化——输入信号被放大了。
“它工作了！“第三个人激动地说。
这个简陋的装置，就是人类历史上第一个晶体管。
它只有几厘米高，却取代了拳头大小的真空管。它没有易碎的玻璃外壳，没有灼热的灯丝，寿命几乎是无限的。
它将改变一切。
真空管的困境#
要理解晶体管为什么重要，先要理解真空管的问题。
真空管是早期电子设备的核心元件。收音机、电视机、早期的计算机，都离不开它。
但真空管有太多缺陷：
体积大：每个真空管像一个小灯泡，ENIAC用了18000个，占了整个房间。
耗电多：真空管需要加热灯丝才能工作，每个消耗几瓦电力。ENIAC消耗150千瓦，大部分变成了热量。
寿命短：灯丝会烧断，玻璃会破碎，真空会泄漏。ENIAC平均每两天坏一个真空管，工程师们每天都在换零件。
速度慢：真空管需要预热，开关速度有限，限制了计算机的运算速度。
到了1940年代，电子设备的发展被真空管"卡住"了。工程师们迫切需要一种更好的元件。
贝尔实验室的探索#
贝尔实验室是AT&T的研究机构，当时世界上最顶尖的实验室之一。
实验室的领导层意识到：电话系统需要更好的放大器。长途电话信号会衰减，需要放大器来增强信号。当时的放大器用的是真空管，体积大、耗电多、不可靠。
1939年，实验室的研究主管默文·凯利写道：“电话系统需要一种不使用真空管的放大器。我相信，答案在半导体中。”
什么是半导体？
导体（如铜）很容易导电，绝缘体（如玻璃）几乎不导电。半导体的导电性介于两者之间，而且可以通过掺杂杂质来改变。
更重要的是，半导体的导电性可以被控制——加上电压，它就导电；去掉电压，它就绝缘。这正是开关和放大器需要的特性。
三位科学家#
1945年，贝尔实验室组建了一个团队，研究半导体放大器。团队有三位核心成员：
威廉·肖克利：理论物理学家，团队领导。他提出了场效应晶体管的理论，但早期实验失败了。
约翰·巴丁：理论物理学家，诺贝尔奖得主。他提出了表面态理论，解释了为什么肖克利的实验失败。
沃尔特·布拉顿：实验物理学家，动手能力极强。他设计了各种实验装置，验证理论预测。
三人性格迥异：肖克利野心勃勃、争强好胜；巴丁安静内敛、深思熟虑；布拉顿热情直爽、善于动手。
他们既有合作，也有摩擦。但正是这种碰撞，催生了伟大的发明。
发明晶体管#
1947年11月，巴丁和布拉顿有了突破性的想法。
他们发现，如果在锗晶体的表面放置两个非常接近的金属触点，一个触点的电流可以控制另一个触点的电流——这就是放大！
12月16日，他们用金箔和塑料楔子制作了第一个点接触晶体管。12月23日，他们向贝尔实验室的领导演示了这个装置。
晶体管的工作原理：
晶体管有三个端子：发射极、基极、集电极。基极的微小电流可以控制发射极和集电极之间的大电流——就像水龙头控制水流一样。
这个特性使晶体管可以：
- 放大信号：小信号变成大信号
- 作为开关：有电流时导通，无电流时截止
这正是真空管能做的事情，但晶体管更小、更省电、更可靠。
肖克利的愤怒#
巴丁和布拉顿发明晶体管时，肖克利不在场。当他得知消息时，既高兴又愤怒。
高兴的是，团队成功了。愤怒的是，他不是发明者——专利上只有巴丁和布拉顿的名字。
接下来的一个月，肖克利把自己关在办公室里，设计了一种更好的晶体管：结型晶体管。
结型晶体管不需要精密的金属触点，结构更简单，更容易制造。它成为了后来主流的晶体管结构。
1951年，贝尔实验室宣布了结型晶体管的发明。这一次，肖克利是唯一的发明者。
晶体管计算机#
晶体管发明后，很快被应用到计算机中。
1954年，贝尔实验室建造了TRADIC——第一台晶体管计算机。它只有800个晶体管，但性能已经可以和ENIAC媲美，而体积只有ENIAC的千分之一。
1955年，IBM推出了IBM 608——第一台商用晶体管计算机。它有3000个晶体管，是最后一款真空管计算机IBM 604的十分之一大小。
晶体管计算机的优势：
| 特性 | 真空管计算机 | 晶体管计算机 |
|---|---|---|
| 体积 | 房间大小 | 柜子大小 |
| 功耗 | 数十千瓦 | 数千瓦 |
| 可靠性 | 每天故障 | 每月故障 |
| 速度 | 毫秒级 | 微秒级 |
晶体管计算机被称为"第二代计算机”，标志着计算机从实验室走向商业应用。
诺贝尔奖#
1956年，肖克利、巴丁、布拉顿共同获得诺贝尔物理学奖。
这是诺贝尔奖历史上最快的颁奖之一——从发明到获奖只用了8年。通常，诺贝尔奖要等几十年才确认一个发现的重要性。
但晶体管的重要性太明显了。诺贝尔委员会说：“这一发明可能比任何其他发明都更深刻地改变了人类的日常生活。”
肖克利半导体#
获奖后，肖克利做了一个决定：创业。
1956年，他回到家乡加州，创办了肖克利半导体实验室。他从贝尔实验室挖来了最优秀的人才。
但肖克利是个糟糕的管理者。他专断、多疑、难以合作。不到两年，八位核心员工集体辞职，创办了仙童半导体。
这八个人被称为"叛逆八人帮”。他们后来创办了英特尔、AMD等公司，开创了硅谷的传奇。
肖克利半导体最终失败了。但肖克利无意中点燃了硅谷的火种——他吸引的人才、建立的技术基础，成为硅谷崛起的起点。
从晶体管到集成电路#
晶体管比真空管好得多，但还不够。
一台计算机需要成千上万个晶体管，每个都要单独制造、单独封装、单独连接。晶体管本身很小，但封装和连线占了大部分空间。
工程师们开始思考：能不能把多个晶体管做在同一块材料上？
这个想法，将导致集成电路的诞生。
明天，我们来讲芯片的奇迹——如何把整个电路集成在一小块硅片上。
今日知识点#
晶体管（Transistor） 一种半导体器件，可以放大信号或作为电子开关。有三个端子：发射极、基极、集电极。基极的微小电流可以控制发射极和集电极之间的大电流。晶体管取代了真空管，成为现代电子设备的基础元件。
半导体（Semiconductor） 导电性介于导体和绝缘体之间的材料，如硅、锗。通过掺杂杂质（如磷、硼），可以改变半导体的导电特性，制造各种电子器件。硅是最常用的半导体材料。
结型晶体管（Junction Transistor） 肖克利发明的一种晶体管结构，由两个PN结构成。比巴丁和布拉顿发明的点接触晶体管更简单、更可靠、更容易制造，成为主流的晶体管类型。
思考题#
- 晶体管比真空管小得多、省电得多、可靠得多。你觉得这三个优势中，哪一个对计算机发展最重要？
- 肖克利是个天才科学家，但也是个糟糕的管理者。你觉得科学天才和管理能力有关系吗？
明天预告：集成电路的奇迹——如何把成千上万个晶体管塞进一小块硅片？