晶体管的历史-综合- 科技百科 -互联网博物馆，你我的知识加油站

晶体管的历史编辑本段 回目录

现在晶体管和微型电路几乎无所不能，无处不在。小到人们日常生活中的助听器、收音机、录音机和电视机，大到实验室仪器、工业生产及国防设备、计算机、机器人、宇宙飞盘等，都离不开晶体管。可以毫不夸张地说，晶体管奠定了现代电子技术的基础。

可是，晶体管究竟是什么样的?它又是怎样发明出来的?

必不可少的一步——电子管的问世

1883年，闻名世界的大发明家爱迪生发明了第一只白炽照明灯。电灯的发明，给一直生活在黑暗之中的人们送去了光明和温暖。就在这个过程中，爱迪生还发现了一个奇特的现象：一块烧红的铁会散发出电子云。后人称之为爱迪生效应。1884年的一天，一位叫弗莱明的英国发明家，远涉重洋，风尘仆仆地来到美国，拜会了他慕名已久的爱迪生。就在这两位大发明家的会见中，爱迪生再次展示了爱迪生效应。遗憾的是，由于当时技术条件的限制，不论是爱迪生，还是弗莱明，都对这一效应百思不得其解，不知道利用这一效应能做些什么。

1904年弗莱明在真空中加热的电丝(灯丝)前加了一块板极，从而发明了第一只电子管。他把这种装有两个极的电子管称为二极管。利用新发明的电子管，可以给电流整流，使电话受话器或其它记录装置工作起来。如今，打开一架普通的电子管收音机，我们很容易看到灯丝烧得红红的电子管。它是电子设备工作的心脏，是电子工业发展的起点。

弗莱明的二极管是一项崭新的发明。它在实验室中工作得非常好。可是，不知为什么，它在实际用于检波器上却很不成功，还不如同时发明的矿石检波器可靠。因此，对当时无线电的发展没有产生什么冲击。

此后不久，贫困潦倒的美国发明家德福雷斯特，在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从而发明了第一只真空三极管。这一小小的改动，竟带来了意想不到的结果。它不仅反应更为灵敏、能够发出音乐或声音的振动，而且，集检波、放大和振荡三种功能于一体。因此，许多人都将三极管的发明看作电子工业真正的诞生起点。德福雷斯特自己也非常惊喜，认为“我发现了一个看不见的空中帝国”。电子管的问世，推动了无线电电子学的蓬勃发展。到1960年前后，西方国家的无线电工业年产10亿只无线电电子管。电子管除应用于电话放大器、海上和空中通讯外，也广泛渗透到家庭娱乐领域，将新闻、教育节目、文艺和音乐播送到千家万户。就连飞机、雷达、火箭的发明和进一步发展，也有电子管的一臂之力。

三条腿的魔术师

电子管在电子学研究中曾是得心应手的工具。电子管器件历时40余年一直在电子技术领域里占据统治地位。但是，不可否认，电子管十分笨重，能耗大、寿命短、噪声大，制造工艺也十分复杂。因此，电子管问世不久，人们就在努力寻找新的电子器件。第二次世界大战中，电子管的缺点更加暴露无遗。在雷达工作频段上使用的普通的电子管，效果极不稳定。移动式的军用器械和设备上使用的电子管更加笨拙，易出故障。因此，电子管本身固有的弱点和迫切的战时需要，都促使许多科研单位和广大科学家，集中精力，迅速研制成功能取代电子管的固体元器件。

早在30年代，人们已经尝试着制造固体电子元件。但是，当时人们多数是直接用模仿制造真空三极管的方法来制造固体三极管。因此这些尝试毫无例外都失败了。

年6月的一天，在美国贝尔实验室的一个房间里，一架样式很普通的收音机正在播放着轻柔的音乐，许多参观者在它面前驻足不前。为什么大家都对这台收音机情有独钟呢？原来这是第一架不用电子管，而代之以一种新的固体元件——晶体管的收音机。虽然人们对这架收音机显露出浓厚的兴趣。然而，他们对晶体管本身却不以为然。美国《纽约先驱论坛报》的记者在报道中写道：“这一器件还在实验室阶段，工程师们都认为它在电子工业中的革新是有限的。”事实上，晶体管发明以后，在不长的时间内，它的深远影响便很快地显示出来。它在电子学领域完成了一场真正的革命。

什么是晶体管呢？通俗地说，晶体管是半导体做的固体电子元件。像金银铜铁等金属，它们导电性能好，叫做导体。木材、玻璃、陶瓷、云母等不易导电，叫做绝缘体。导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，就叫半导体。晶体管就是用半导体材料制成的。这类材料最常见的便是锗和硅两种。

半导体是19世纪末才发现的一种材料。当时人们并没有发现半导体的价值，也就没有注重半导体的研究。直到二次大战中，由于雷达技术的发展，半导体器件——微波矿石检波器的应用日趋成熟，在军事上发挥了重要作用，这才引起了人们对半导体的兴趣。许多科学家都投入到半导体的深入研究中。经过紧张的研究工作，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿三人捷足先登，合作发明了晶体管——一种三个支点的半导体固体元件。晶体管被人们称为“三条腿的魔术师”。它的发明是电子技术史中具有划时代意义的伟大事件，它开创了一个崭新的时代——固体电子技术时代。他们三人也因研究半导体及发现晶体管效应而共同获得1956年最高科学奖——诺贝尔物理奖。

晶体管的出现，是电子技术之树上绽开的一朵绚丽多彩的奇葩。

同电子管相比，晶体管具有诸多优越性：

①晶体管的构件是没有消耗的。无论多么优良的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。由于技术上的原因，晶体管制作之初也存在同样的问题。随着材料制作上的进步以及多方面的改善，晶体管的寿命一般比电子管长 100到1000倍，称得起永久性器件的美名。

②晶体管消耗电子极少，仅为电子管的十分之一或几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。一台晶体管收音机只要几节干电池就可以半年一年地听下去，这对电子管收音机来说，是难以做到的。

③晶体管不需预热，一开机就工作。例如，晶体管收音机一开就响，晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。开机后，非得等一会儿才听得到声音，看得到画面。显然，在军事、测量、记录等方面，晶体管是非常有优势的。

④晶体管结实可靠，比电子管可靠 100倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管所无法比拟的。另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度。

正因为晶体管的性能如此优越，晶体管诞生之后，便被广泛地应用于工农业生产、国防建设以及人们日常生活中。1953年，首批电池式的晶体管收音机一投放市场，就受到人们的热烈欢迎，人们争相购买这种收音机。接着，各厂家之间又展开了制造短波晶体管的竞赛。此后不久，不需要交流电源的袖珍“晶体管收音机”开始在世界各地出售，又引起了一个新的消费热潮。

由于硅晶体管适合高温工作，可以抵抗大气影响，在电子工业领域是最受欢迎的产品之一。从1967年以来，电子测量装置或者电视摄像机如果不是“晶体管化”的，那么就别想卖出去一件。轻便收发机，甚至车载的大型发射机也都晶体管化了。

另外，晶体管还特别适合用作开关。它也是第二代计算机的基本元件。人们还常常用硅晶体管制造红外探测器。就连可将太阳能转变为电能的电池——太阳能电池也都能用晶体管制造。这种电池是遨游于太空的人造卫星的必不可少的电源。晶体管这种小型简便的半导体元件还为缝纫机、电钻和荧光灯开拓了电子控制的途径。

从1950年至1960年的十年间，世界主要工业国家投入了巨额资金，用于研究、开发与生产晶体管和半导体器件。例如，纯净的锗或硅半导体，导电性能很差，但加入少量其它元素(称为杂质)后，导电性能会提高许多。但是要想把定量杂质正确地熔入锗或硅中，必须在一定的温度下，通过加热等方法才能实现。而一旦温度高于摄氏75度，晶体管就开始失效。为了攻克这一技术难关，美国政府在工业界投资数百万美元，

以开展这项新技术的研制工作。在这样雄厚的财政资助下，没过多久，人们便掌握了这种高熔点材料的提纯、熔炼和扩散的技术。特别是晶体管在军事计划和宇宙航行中的威力日益显露出来以后，为争夺电子领域的优势地位，世界各国展开了激烈的竞争。为实现电子设备的小型化，人们不惜成本，纷纷给电子工业以巨大的财政资助。

自从1904年弗莱明发明真空二极管，1906年德福雷斯特发明真空三极管以来，电子学作为一门新兴学科迅速发展起来。但是电子学真正突飞猛进的进步，还应该是从晶体管发明以后开始的。尤其是PN结型晶体管的出现，开辟了电子器件的新纪元，引起了一场电子技术的革命。在短短十余年的时间里，新兴的晶体管工业以不可战胜的雄心和年轻人那样无所顾忌的气势，迅速取代了电子管工业通过多年奋斗才取得的地位，一跃成为电子技术领域的排头兵。

1947年12月16日：威廉·邵克雷(William Shockley)、约翰·巴顿(John Bardeen)和沃特·布拉顿(Walter Brattain)成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。

　　1950年：威廉·邵克雷开发出双极晶体管(Bipolar Junction Transistor)，这是现在通行的标准的晶体管。

　　1953年：第一个采用晶体管的商业化设备投入市场，即助听器。

　　1954年10月18日：第一台晶体管收音机Regency TR1投入市场，仅包含4只锗晶体管。

　　1961年4月25日：第一个集成电路专利被授予罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)。最初的晶体管对收音机和电话而言已经足够，但是新的电子设备要求规格更小的晶体管，即集成电路。

　　1965年：摩尔定律诞生。当时，戈登·摩尔(Gordon Moore)预测，未来一个芯片上的晶体管数量大约每年翻一倍(10年后修正为每两年)，摩尔定律在Electronics Magazine杂志一篇文章中公布。

　　1968年7月：罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔从仙童(Fairchild)半导体公司辞职，创立了一个新的企业，即英特尔公司，英文名Intel为“集成电子设备(integrated electronics)”的缩写。

　　1969年：英特尔成功开发出第一个PMOS硅栅晶体管技术。这些晶体管继续使用传统的二氧化硅栅介质，但是引入了新的多晶硅栅电极。

　　1971年：英特尔发布了其第一个微处理器4004。4004规格为1/8英寸 x 1/16英寸，包含仅2000多个晶体管，采用英特尔10微米PMOS技术生产。

　　1978年：英特尔标志性地把英特尔8088微处理器销售给IBM新的个人电脑事业部，武装了IBM新产品IBM PC的中枢大脑。16位8088处理器含有2.9万个晶体管，运行频率为5MHz、8MHz和10MHz。8088的成功推动英特尔进入了财富(Forture) 500强企业排名，《财富(Forture)》杂志将英特尔公司评为“七十大商业奇迹之一(Business Triumphs of the Seventies)”。

　　1982年：286微处理器(又称80286)推出，成为英特尔的第一个16位处理器，可运行为英特尔前一代产品所编写的所有软件。286处理器使用了13400个晶体管，运行频率为6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz。

　　1985年：英特尔386™微处理器问世，含有27.5万个晶体管，是最初4004晶体管数量的100多倍。386是32位芯片，具备多任务处理能力，即它可在同一时间运行多个程序。

　　1993年：英特尔®奔腾®处理器问世，含有3百万个晶体管，采用英特尔0.8微米制程技术生产。

　　1999年2月：英特尔发布了奔腾®III处理器。奔腾III是1x1正方形硅，含有950万个晶体管，采用英特尔0.25微米制程技术生产。

　　2002年1月：英特尔奔腾4处理器推出，高性能桌面台式电脑由此可实现每秒钟22亿个周期运算。它采用英特尔0.13微米制程技术生产，含有5500万个晶体管。

　　2002年8月13日：英特尔透露了90纳米制程技术的若干技术突破，包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。

　　2003年3月12日：针对笔记本的英特尔®迅驰®移动技术平台诞生，包括了英特尔最新的移动处理器“英特尔奔腾M处理器”。该处理器基于全新的移动优化微体系架构，采用英特尔0.13微米制程技术生产，包含7700万个晶体管。

　　2005年5月26日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器”诞生，含有2.3亿个晶体管，采用英特尔领先的90纳米制程技术生产。

　　2006年7月18日：英特尔®安腾®2双核处理器发布，采用世界最复杂的产品设计，含有17.2亿个晶体管。该处理器采用英特尔90纳米制程技术生产。

　　2006年7月27日：英特尔®酷睿™2双核处理器诞生。该处理器含有2.9亿多个晶体管，采用英特尔65纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生产。

　　2006年9月26日：英特尔宣布，超过15种45纳米制程产品正在开发，面向台式机、笔记本和企业级计算市场，研发代码Penryn，是从英特尔®酷睿™微体系架构派生而出。

　　2007年1月8日：为扩大四核PC向主流买家的销售，英特尔发布了针对桌面电脑的65纳米制程英特尔®酷睿™2四核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔®酷睿™2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。

　　2007年1月29日：英特尔公布采用突破性的晶体管材料即高-k栅介质和金属栅极。英特尔将采用这些材料在公司下一代处理器——英特尔®酷睿™2双核、英特尔®酷睿™2四核处理器以及英特尔®至强®系列多核处理器的数以亿计的45纳米晶体管或微小开关中用来构建绝缘“墙”和开关“门”，研发代码Penryn。采用了这些先进的晶体管，已经生产出了英特尔45纳米微处理器。

纪念晶体管诞生60周年编辑本段 回目录

在半导体产业迅猛发展的今天，让我们一起来阅读这段60年前的历史…...

LSI 热烈庆祝晶体管诞生 60 周年

60年前的1947年12月，3 名贝尔试验室的科学家共同发明了晶体管，从而开辟了现代电子时代，包括当今的LSI在内的全球性产业也由此诞生。

1947年的晶体管

自此人们与晶体管之间的联系日益紧密，这源于 1951 年晶体管首次在LSI位于宾夕法尼亚州Allentown联合大道 (Union Boulevard) 的原西方电子厂进行常规生产。西方电子 (Western Electric) 当时是一家集办公室、实验室、工厂于一体的公司。西方电子和贝尔实验室都是AT&T（贝尔系统）的一部分。

由于在纽约的电子管市场不够大，也不够成熟，难以满足日新月异的技术需求，西方电子决定在1946年将公司业务扩展到宾西法尼亚州的Lehigh Valley，并于1947年的晚些时候在Allentown正式投入量产。当第一条晶体管生产线于1951年建成后，一场从电子管技术到固态技术的再培训计划也随之开始。1952年晶体管首次成功应用于电话网络。

IOTATRON?

每一项新发明都需要一个名称，贝尔实验室想了好几个，什么“半导体三极真空管”、“固态三极真空管”、 “表面状态三极真空管”、“晶体三极真空管”、“Iotatron”等。但最终John Pierce提出并采用了“晶体管”一词。

Pierce 回忆说：“我之所以提出这个名字，着重考虑了该器件是做什么的。那时，它本应该是电子管的复制品。电子管有跨导，晶体管就应该有跨阻” 此外，这个器件的名称应当与变阻器、电热调节器等其它器件名称相匹配。于是我建议采用“晶体管”这个名字。

这一重要的周年庆典日前在加利福尼亚州和宾西法尼亚州隆重举行。

鉴于Allentown市与晶体管之间的联系，市长 Ed Pawlowski发表声明，将今年的12月16日，星期天（也就是晶体管诞生60周年纪念日）命名为 “Allentown市晶体管日”。

另外，LSI 将首枚晶体管的副本捐赠给坐落于加州Mountain View市的计算机历史博物馆(CHM)，在这里存放着信息时代各种具有历史意义的纪念物及名人故事。这个博物馆是世界上与计算机历史相关的物品、软件、文档、动态及动态影像和名人故事的最大最重要的收藏地。

昨日的历史激励着今日的无限创新。

LSI的首席执行官Abhi Talwalkar说：“人们常说，我们今天之所以能够取得如此辉煌的成就，是因为我们站在前辈巨人的肩膀上。在我们庆祝晶体管，这一20世纪无疑最重要的发明诞生之际这句话尤其适合。幸运的是，发明晶体管的创新精神今天仍然像过去一样绽放着进取的光芒。”

计算机历史博物馆的首席执行官John O’Toole补充说：“没有晶体管这个现代微电子技术的基本构建块，就不会有今天计算机产业的蓬勃发展。”

晶体管的重要性起初不被理解。贝尔实验室名誉总裁 Ian M. Ross 在一篇 IEEE 文章中写道晶体管的发明“使我们的社会发生了伟大变革，这场变革的深远意义不亚于钢铁的发现、蒸汽机的发明以及英国工业革命。”

John Bardeen（左）、William Shockley（坐）和 Walter Brattain（右）共同发明了晶体管。

晶体管的发明工作始于新泽西的默里山，在这里科学家们正在寻找电子管的替代品。电子管虽然能够放大音乐和语音，并使长途通话在 20 世纪上半叶成为现实，但问题在于电子管功耗大，产生的热量过多，且极易烧坏。

如图所示，正在探索新的解决方案的科学家——固态物理学理论家 William Shockley、实验物理学家 Walter Brattain 以及理论物理学家 John Bardeen。

Bardeen 和 Brattain 过去一直在对半导体的性质进行研究。结合他们的专业技术，Bardeen 和 Brattain对另一种半导体材料锗进行了实验。锗是一种具有金属光泽、金刚石型晶体结构的灰白色物质。晶体管是在一次试验中偶然发现的，当时 Brattain 正在观察与两条相距千分之二英寸的电线接触的锗晶体可以产生放大效果。

使用硅材料的技术被开发之前，锗在晶体管发展的初始几年一直被用作半导体材料。硅的储量更为丰富，是一种更耐用的半导体材料。

图为 20 世纪 50 年代，在西方电子的Allentown工作间，一名员工正在使用高精度天平称量成品晶体管

上述提到的三位发明家共同获得了 1956 年的诺贝尔物理学奖。后来，Bardeen被聘请为伊利诺斯大学 (University of Illinois) 的教授；Brattain在华盛顿沃拉沃拉市的惠特曼学院(Whitman College)、哈佛大学(Harvard University)、明尼苏达大学(University of Minnesota)和华盛顿大学 (University of Washington) 做起讲师；而 Shockley 在担任斯坦福大学 (Stanford University)电气工程学院的教授的同时还成立了 Shockley 半导体实验室（贝克曼仪器有限公司的一部分），为硅谷及电子产业的诞生做出了杰出的贡献。集成电路的发明者、英特尔公司的创始人等后起之秀都曾在 Shockley 半导体实验室工作过。

同时，他们发明的晶体管继续以或微小或巨大的方式改变着整个世界。

1954 年，随着第一台晶体管无线电的售出，晶体管成为大众文化的一部分，这是为晶体管发明者们所称道的一个发展。

直到 20 世纪50年代后期，晶体管成为了电子电话转接系统的一个不可分割的组成部分，也成为便携式收音机、计算机和雷达等其它重要产品和服务的关键组件。