第五十六章神奇的“魔管”
晶体管的发明
1947年12月23日，第一支晶体管在著名的贝尔实验室诞生了。其发明者肖克莱、巴丁、布拉
顿由此获得诺贝尔物理学奖。晶体管的发明成为人类微电子革命的先声。
活用规律崭新发明
1883年，闻名世界的大发明家爱迪生在发明电灯的过程中，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”。遗感的是，由于当时技术条件的限
制，人们并没有发现这一效应的实用性。
20世纪初，有线电报问世了。这一发明给人们带来了很多便利。有线电报发生的信号是高频
无线电波，收信台必须进行整流，才能从听筒中听出声音来。当时的整流器结构复杂，功
效又差，亟待改进。而这时，一位叫弗来明的英国发明家正在研究高频整流器，他想，如果
把“爱迪生效应”应用在检波器上，结果会怎样呢?
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
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
器或其他记录装置工作起来。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
际用于检波器上却还不如同时发明的矿石检波器可靠。因此，二级管并没有对当时无线电的
发展产生什么冲击。
此后不久，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，能够发出声响和振动，而且，集检波、放大和振荡三种功能于一体。因此，三极管的发
明被看做电子工业诞生真正的起点。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”。
电子管的发明，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到万户。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。
面临挑战另辟蹊径
电子管出世后就一直雄居科学领地，活跃于电子技术的各个领域。电子计算机用上它，如同
猛虎添翼，运算速度空前提高，将人们从繁复苦恼的机械运算中解放了出来，然而，电子管
在使用的期间，逐渐暴露出它自身的一些弱点。
第一，使用寿命较短。一般为几千小时到一万小时，用在电报、收音机、电视机上
还凑合得过去。因为在此类电器中，电子管用得并不多，一台机器上，三五个到十来个即可
，可在电子计算机里，情况就完全不同了。一台电子计算机中，往往需要成千上万个电子管
如果有一个出了问题，整台计算机就要“犯病”。如果某只电子管寿终正寝，科学家很难一
时查明，判断究竟该调换哪只电子管，如果全体“大换血”，其代价又甚为惨重。
第二，耗电量大。电子计算机大量使用电子管，是只名副其实的“电老虎”。蓄电池或小型
电机等电源输送出来的电力，无法满足电子计算机的用电需求，因此，电子计算机不能到户
外使用。
第三，体积庞大，体重超常。由于耗电量大，电子计算机散发的热量巨大，因此一
台计算机还必须装备臃肿、笨重的散热装置。
第四，玉体脆弱，玻璃管稍受触及，便会破碎。如受到较大的冲击，整个计算机便会散架。
电子计算机“神机妙算”的优势，不幸被它的心脏部件——电子管的弱点大大削减，其发展
自然受到严重限制。
1895年，无线电报发明以后，不少人为改进接收机中的金属屑检波器进行了反复的实验。直
到1906年，人们才发明了矿石检波器。矿石检波有别于金属屑检波，尽管其导电性能远远不
如金属屑，但其检波性能却优于金属屑，其因何在?这就引发出了甚多的人积极地去研究半
导体材料。
不过，天然矿石检波器性能并不稳定，很快，它便让位给性能更好的真空二极管。半导体于
是被打入“冷宫”。不过，半导体仍在无线电领地中保留着一小块阵地——氧化铜整流器的
硒整流器。
20世纪30年代，由于无线电、电视和雷达的发展，通信中开始用到“微波”。微波的电流频
率高得惊人，使得真空二极管内的电子流跟不上信号变化节奏的步伐，这就迫使人们重新请
弃置在“冷宫”中的矿石检波器。可是，天然矿石的检波性质不稳定，实在难担此重任。科
学家们不得不对它做一番深入研究，以探明其奥妙之所在。
1940年，性能优良的“人造矿石”——半导体二极管问世了，它性能稳定，而且能在频
率很高的情况下工作，比起真空二极管来，显然技高一筹。那么，人造矿石和天然矿石的区
别究竟在何处呢?原来，天然矿石里含杂质太多，纯度不高，使半导体的性能大大降低。而
冶炼和结晶技术则可剔除天然矿石中的杂质，制出纯度极高的半导体——锗、硅等。
进而，人们又认识到：既然在电子二极管的基础上，可以产生电子三极管，顺理成章，在半
导体二极管的基础上，也就应该研制出半导体三极管。
一个全新的历史由是而生!
知难而进“宝贝”诞生
1945年，二战临近结束。
贝尔实验室开始研究新型电子器件，当时有名的固体物理学家肖克利提议以半导体为研究方
向。早在19
25年，就有科学家发现了半导体的场效应特性，也就是在半导体的两端施加电场，就会改变
半导体中电荷的浓度，从而改变半导体的导电能力。肖克利从加州理工学院物理系毕业之后
，进入麻省理工学院取得物理学博士学位，然后于1936年进入贝尔实验室。他一直从事固体
物理的研究，想搞清楚场效应的物质结构，并推断可以利用场效应进行信号放大。他曾和实
验高手布拉顿一起尝试着做场效应器件，但完全失败了。
1945年夏天，贝尔实验室决定成立一个专门研究小组搞清楚半导体的机理，并探讨利用半导
体来做放大器的可能性。
1946年1月，贝尔实验室的固体物理研究小组正式成立了。这个小组以肖克利为首，下辖若
干小组，活跃着多学科多方面的人才。他们通力合作，充满热情，完全投入到理论物理领域
的研究与探索中。
开始，布拉顿和巴丁在研究晶体管时，采用的是肖克利提出的场效应概念。场效应设想是人
们提出的第一个固体放大器的具体方案。根据这一方案，他们仿照真空三极管的原理，试图
用外电
场控制半导体内的电子运动。但是事与愿违，实验屡屡失败。人们得到的效应比预期的要小
多。经过多少个不眠之
夜的苦苦思索，巴丁又提出了一种新的理论——表面态理论。这一理论认为表面现象可以引
起信号放大效应。表面态概念的引入，使人们对半导体的结构和性质的认识前进了一大步。
布拉顿等人乘胜追击，认真细致地进行了一系列实验。结果，他们意外地发现，当把样品和
参考电极放在电解液里时，半导体表面内部的电荷层和电势发生了改变，而这正是肖克利
曾经预言过的“场效应”。
大家在极度兴奋中，加快了研究步伐，利用场效应又反复进行了实验。谁知，继续实验中突
然发生了与以前截然不同的效应，形势又变得扑朔迷离了。
然而肖克利小组坚持迎难而上。他们紧紧循着茫茫迷雾中的一丝光亮，改变思路，继续探索
。经过多次地分析、计算、实验，1947年12月23日，人们终于得到了盼望已久的“宝贝”。
这一天，巴丁和布拉顿把两根触丝放在锗半导体晶片的表面上，当两根触丝十分靠近时，放
大作用发生了。世界第一只固体放大器——晶体三极管也随之诞生了，这也正是人们习惯称
为的“晶体管”。
巴丁和布拉顿实验成功的这种晶体管，是金属触丝和半导体的某一点接触，故又称点接触晶
体管。这种晶体管对电流、电压都有放大作用。
电子奇葩后来居上
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：
第一，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，配得上“永久性器
件”的美名。
第二，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。
第三，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
机就很快出现画面，而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，看得到画画。显然，在军事、测量、记录等方面，晶体管是非常有优势的。
第四，晶体管结实可靠，比电子管可靠100倍，耐冲击、耐振动这些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。晶体管制造工艺精密，而且工序简便，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，晶体管诞生之后很快就在许多领域取代了电子管，并被广泛
地应用于工农业生产、国防建设以及人们日常生活中。在电视、雷达、录音机、录像机、无
线电话机等几乎所有电子领域里大显神通。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，
又引起了一股新的消费热潮。
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，一跃而成为电子技术领域的排头兵