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业界有一句话是：“如果说细胞是生命的基石，那么晶体管就是现代电路革命的基石”；在本文中，笔者特别想跟大家分享一下晶体管（transistor）的诞生与演进，因为晶体管的发明被认为是人类历史中最伟大的科技发明之一，其重要性能与汽车、飞机和电话等革命性发明相提并论。
上世纪40年代，美国贝尔实验室的肖克利（William Shockley）、巴丁（John Bardeen）、布拉顿（Walter Brattain）在研究场效应（Field effect，即外部电场破坏半导体内部自由电子和自由空穴的平衡破坏产生的调制效应，如下图1所示）时，仿照真空三极管的工作方式，试图用外电场控制半导体内部的电子运动；然而，事与愿违，实验效果与预期结果相距甚远。
图1 场效应
问题出在哪里？经过思索，巴丁提出了表面态理论；该理论指明表面现象能引起信号放大效应，该理论进一步深化了当时科研人员对半导体结构及其性质的认知。在此基础上，布拉顿等人细致进行了一系列实验，结果发现：当把样品和参考电极放入电解液中，半导体表面及内部的电荷层和电势都会发生改变。经过反复分析，1947年12月23日，当巴丁和布拉顿把两根触丝放在锗（Ge）半导体晶片的表面上，当两根触丝十分靠近时，放大作用产生了；这意味着世界第一只固体放大器—晶体管诞生了（实际上，该器件的原始专利说明是如下描述的：它是半导体放大器，是采用半导体材料制备的三电极电路元件）。该晶体管（大小跟一个指甲盖差不多，能把音频信号放大100倍，如下图所示）是金属触丝和半导体的某一点接触，故称点接触晶体管，对电流、电压均有放大作用。
图2 世界上第一个晶体管
为什么将该器件命名为晶体管呢？当时，布拉顿想到了电阻变换特性，即它是以一种从“低电阻输入”到“高电阻输出”的转移电流方式来工作的，于是命名为Trans-resistor（转换电阻或称跨阻，指的是输出端电压变化与输入端电流变化的比值，反映了输入对输出的影响能力），后来缩写为transistor，中文译名就是晶体管。实际上，1950年第一个“PN结晶体管”才真正问世，该器件的性能与肖克利最初的设想完美一致；直至今天，现代电路中应用的大部分晶体管依然还是这种PN结型晶体管。
举一个例子来通俗描述晶体管：它的工作原理类似于水龙头（假使用水流比拟电流的话），不仅能启动和停止电流运动，还能控制电流大小；也就是说，晶体管既能切换或放大电信号，还能精确控制流过电路板的电流。上述过程体现在模拟信号应用领域，就是收音机可放大空中传播的极弱信号使音箱共鸣，起到了“增幅”作用，晶体管确保不改变输入信号的波形只放大电压或电流；在数字信号应用领域，晶体管起着切换“0”和“1”的开关作用。一句话简短归纳：晶体管的作用体现在“增幅”和“开关”上。
在现代电路中是不是晶体管就只体现上述两大作用呢？实际上，我们已将晶体管定义为一种固体半导体器件，广义上泛指一切以半导体材料为基础制备的单一元件，涵盖各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等；狭义上，晶体管有时特指晶体三极管。目前，应用的晶体管主要分为两大类：双极性晶体管（BJT）和场效应晶体管（FET），具备检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。因为晶体管可独立封装在现代集成电路中一个极小区域，同时现代集成电路已经支持容纳数十亿或更多数量的晶体管，所以它已成为现代电子电路的基本构建模块。如下图所示，在11年前，著名的显卡及主板芯片生产商NVIDIA（英伟达）公司就发布了GF110核心模块，其中含30亿个晶体管，采用了先进的40nm工艺制造技术。
图3 2010年11月NVIDIA发布的GF110核心模块，含30亿个晶体管
回到前文，我们提到了世界上第一个晶体管的大小跟一个指甲盖差不多，约1cm左右；时至今日，科技工作人员已将晶体管做到2nm左右大小，也就是说：1个指甲盖大小的区域可以容纳将近500亿个晶体管！
值得注意的是：上世纪70年代开始，集成电路逐步取代单晶体管在电子器件制作中得以广泛应用；集成电路将大量晶体管和其他组件构建在一小块或几小块晶片或陶瓷基片上，工程师再用适当方法将其互连封装进一个管壳内，形成满足相关现代电路功能需求的微结构体，其装配密度比使用单晶体管方式提高几十倍到上百倍，稳定工作时间大大提升。因此集成大量晶体管的集成电路在计算机、通信、甚至于各类军事设备中占据了极其重要地位，极大推动了人类的科技进步。
最后，说一段题外话，可能大家会有点兴趣：著名的诺贝尔奖从1901年第一次颁奖至今已有120年的历史，在众多诺贝尔物理学奖得主中，唯有一位物理学家获得过两次诺贝尔物理学奖，但这个人的名字却鲜为人知。他叫约翰·巴丁（John Bardeen），就是我们前文提及的世界上第一个晶体管的发明人之一（在1956年和1972年，因为发明了晶体管和提出了BSC超导理论，他先后两次获得诺贝尔物理奖，如下图所示）。
图4 约翰·巴丁（John Bardeen）两次获得了诺奖
众所周知，世界各国在科技领域的“芯片”研发之争正进行得如火如荼，然而一块先进芯片往往承载了数十亿甚至于数百亿计的晶体管，其中的高新科技含量不言而喻。
笔者来划一下重点：芯片技术的发展一直遵循着摩尔定律规则，即每隔18个月单位面积芯片上的晶体管数量增加一倍，芯片性能也随之提升一倍，这已成为现代电路产品迭代升级的关键制约因素。目前，英特尔，三星和台积电等十大全球科技巨头成立了“小芯片联盟”，旨在推出一种芯片互联国际标准以在行业竞争中形成垄断龙头效应；遗憾的是，在该联盟中，没有任何一家中国大陆企业，“小芯片联盟”建立的目的就是打造一个高科技产业国际联盟，完善一个关键技术生态壁垒，从芯片技术领域彻底将中国大陆企业排除在外。因此，作为中国的科技工作者必须加大研发速度、力度和广度，刻不容缓地发展中国自主知识产权的含更多数量晶体管的集成电路芯片技术…
图5 发展中国自主知识产权的含更多数量晶体管的集成电路芯片
以上内容供大家平时学习研究和实践应用时参考，本来还有许多要讲的，例如“集成电路中晶体管的应用优势等等”，留待以后有机会再与大家分享所思所得，兼虑时间有限，晚上写作又有点犯困，谢谢大家理解，今后继续….
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