芯片改变世界

    钱纲 著

    ISBN：978-7-111-63805-6

    本书纸版由机械工业出版社于2019年出版，电子版由华章分社(北京华

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    导言 芯片简历

    第一篇 半导体材料和半导体器件的前世今生

    01 晶体三极管之前的半导体

    02 晶体三极管之前最重要的电子器件：真空管

    03 无线电通信和真空管收音机

    04 真空管带来的全新电子技术和最初的电子计算机

    05 发明晶体管：贝尔实验室的奇迹

    06 晶体管时代的到来

    07 芯片概念的形成

    08 芯片工艺：贝尔实验室奠定的半导体工艺基础

    第二篇 创造奇迹的芯片

    09 发明芯片：德州仪器和基尔比的奇迹

    10 美国传奇：芯片产业之父罗伯特·诺伊斯

    11 硅谷传奇：叛逆八人帮和仙童半导体公司的诞生

    12 芯片产业的摇篮：仙童半导体公司

    13 改进的器件和技术：场效应管技术

    14 芯片的制造流程

    15 摩尔定律：芯片产业的发展路径

    16 第三次工业革命的种子：诺伊斯领导下的美国芯片产业

    第三篇 改变世界的芯片

    17 半导体芯片的种类、设计流程、生产流程和应用领域

    18 工业革命3.0的发端：格鲁夫缔造的英特尔传奇

    19 芯片上的存储器：人脑记忆功能的拓展

    20 芯片上的计算机：泰德·霍夫的微处理器

    21 改变世界的微处理器

    22 ARM传奇：ARM处理器的诞生

    23 移动通信设备的大脑：ARM处理器的成长

    24 人机界面的核心：图形处理器芯片GPU

    25 通向专用芯片之路：未来GPU的发展方向

    26 西风东渐：伟大的中国工业革命中的芯片产业

    27 芯片业代工模式的代表：台湾积体电路制造股份有限公司

    28 带领中国芯片业进入工业革命4.0的芯片人：中芯国际公司创始

    人张汝京

    第四篇 未来的芯片29 硅工艺制程的极限：摩尔定律的终结

    30 未来的芯片

    附录A 改变世界的芯片之一：英雄时代(1970～1980年)

    附录B 改变世界的芯片之二：成熟时期(1980～2018年)

    参考文献谨以此书献给我的父亲钱义良先生、母亲王恩奇女士，是他们在我的孩童时代就让我懂得了生活中除数理化之外，还有更加宽广的世界。

    我还要借此机会感谢我的妻子刘国华，是她精心照料着我们的一双儿女，打理着大量的家庭琐事，让我得以有时间完成本书。前言

    要是有人问起20世纪世界历史上最重要的事件是什么，很多人会说

    是第二次世界大战(简称二战)，有人会说是苏联和东欧社会主义国家

    的兴起与衰落，还有人会说是中国的崛起。当然，这些事件都很重要。

    但是，从影响人们生活方式的角度来看，20世纪发生的最大的事件非晶

    体管和芯片的发明莫属。

    从人类发明蒸汽机开始，改变人类生活方式的技术发明不断出现，其中以蒸汽机、铁路运输、石油工业、汽车、电子管、原子能、晶体管

    和芯片为代表。这些技术发明，不仅改变了当时的战争形势和世界格

    局，而且改变了我们的日常生活形态。这些技术发明把这个世界变得很

    小，把人的力量变得很大，同时也把人的大脑变得极为强大。和地球上

    的其他生物相比，人类在这些技术发明的帮助下获得了堪称上帝般的。

    成就一项改变人类历史和生活方式的技术发明，需要具备哪些条件

    呢？

    第一，要有实际的应用需求。二战结束后，电子工业在战争和通信

    上有了极大的应用。雷达、计算弹道的计算机、有线及无线通话设备等

    大量战时发明对高效的电子放大器和高速的电子开关产生了极大的需

    求。

    第二，要有足够的知识积累。20世纪初，以量子力学为代表的现代

    物理和化学为新型固体电子器件的产生。奠定了物理与工艺基础。二战

    后，美国的贝尔实验室和斯坦福大学等研究机构在理论与工艺上为新型

    电子器件和随之而来的芯片产业做好了准备。

    第三，要有市场。随着“冷战”的深入，美国和苏联在军备与太空开

    发上展开了竞赛。这是一个巨大的市场，以往以真空电子管为代表的常

    规电子器件，在太空这种极端环境下已无法满足需要。此时，理论和工

    艺都已成熟的固体电子器件应运而生。晶体管、芯片和整个半导体工业

    就是在“冷战”的刺激下诞生的。

    第四，要有勇于开创的发明家和企业家。他们是改革家和梦想家，且大多数出身于不太富裕的家庭，但他们从小就有梦想。他们对身边的一些习以为常的事情表现得很不耐烦，他们要用自己的智慧去改变令人

    生厌的环境。他们确信靠自己的头脑和经验可以完成一些看似不可能完

    成的事情。是真正的社会改革者，他们为这个世界带来了真正意义上的

    变革，他们改变了我们的生活方式，同时为人类提供了更多的自由和财

    富。

    20世纪前半叶，第一个广泛应用的电子器件——真空管在通信、雷

    达和电脑业中大展身手。此后无论是在军事、工业还是在民用行业中，真空管大大改善了人们的工作和生活。二战后，真空管已成为无可替代

    的产品。但是，真空管的质量和寿命都使其无法胜任当时最前沿的应

    用。

    20世纪50年代，晶体三极管的出现让人们看到了新希望。在不到10

    年的时间里，晶体管代替了真空管。晶体管的生产工艺、质量和寿命也

    有了极大的改善。随着晶体管收音机的出现，晶体管成了人们日常生活

    中不可或缺的电子器件。

    20世纪60年代，芯片的出现彻底改变了电子工业的现状。过去需要

    几个房间才能放下的电子设备所实现的计算能力，可以在几个平方厘米

    大小的芯片上实现。此后，芯片技术和其应用改变了当时从衣食住行到

    天气预报，从日常通信到卫星技术的所有产业。正是芯片技术开启了以

    电脑和互联网为代表的工业革命3.0。

    20世纪80年代，以微处理芯片为核心的个人电脑出现。英特尔和

    ARM两种微处理器的设计理念展开竞争。由于英特尔和微软广大的市

    场与惊人的资金投入，英特尔以性能为先的微处理器设计理念在20世纪

    八九十年代大行其道。而以ARM为代表的更为先进的能耗和性能并进

    的微处理器设计理念则在一些边缘产品中慢慢成长。

    20世纪90年代，个人电脑、无线通信、光纤通信、卫星通信及定位

    技术的应用已经日益普及。这是第三次工业革命达到高潮的10年，以

    ARM为代表的微处理器芯片、以GPS为代表的卫星通信芯片，以及以汽

    车雷达为代表的微电机芯片等不断推陈出新，让人应接不暇。这10年

    里，芯片技术从20世纪90年代初期的0.6微米制程，到2000年发展为90

    纳米制程。芯片制造前端的制程技术进步了六代，芯片制造后端的连线

    金属层也达到十几层，芯片工艺的复杂程度超出了所有人的想象。以微

    处理器为例，芯片上的晶体管数量已超过了10亿，一家生产12英寸 [1]

    芯片的厂家，造价超过10亿美元，一张微处理器芯片的晶圆价值几百万美元。芯片产业的格局也从设计、制造、产品、营销一体化，演变成设

    计与产品一家，制造、封装、测试另起炉灶的局面。在这10年中，中国

    政府和企业真正认识到了芯片对国家未来的重要性，这也是中国政府开

    始放手让芯片企业大干的10年。

    2000年是科技史上的一个分水岭。此前，人类的知识与技术积累已

    经为我们的生活带来了数字电脑、远程通信、卫星通信、互联网。2000

    年，综合了这些高新科技的改变世界进程的工业革命4.0发生了。这是

    一次由芯片和电脑发端的、以互联网为触角的、并以人们日常生活中的

    信息交流为中心的、即将改变我们生活中的每个方面的工业革命。工业

    革命4.0的核心就是芯片技术及其应用。

    进入21世纪以来，芯片技术的发展颠覆了人类的生活方式，一部手

    机能做的事已远远超过了过去的大型电脑，一个没有实体店面的电商的

    销售能力远超过去的大型百货商店，人们的办公、出行、购物、娱乐都

    发生了巨大的变化。与此同时，硅基芯片的工艺即将谢幕，因为，第三

    代半导体材料及工艺已出现在了人们的视线之内。微处理器的构架、高

    压器件、全新的设计流程、封装和测试的新方法也开始大量涌现。

    工业革命4.0是一场由晶体管、芯片、电脑和互联网点燃的工业革

    命，它让这个世界变化得飞快，它将对我们的生活、社会和社会组织产

    生巨大影响。尽管我们无法预言10年后的电脑会是什么样子，也无法预

    言10年后的汽车会是什么样子，更无法预言10年后我们的工作环境会是

    什么样，但是，作为芯片行业从业大军中的一员，我会以乐观、审慎的

    态度拭目以待。

    本书是有关电子和芯片技术发展的科普图书。书中重点讲述了电子

    工业的产生，早期电子器件、半导体器件以及芯片的产生与发展的历

    史，时间到2018年为止。本书的目的是把芯片技术与其发展史结合起

    来，描绘芯片产业与第三次、第四次工业革命的兴起及发展过程。本书

    的主角是芯片技术的历史沿革、发明家、创业家、风险投资家及企业

    家。

    本书正文共有30章，附录介绍的是具有开创性并被广泛应用的芯

    片，它们中的大多数来自国际电工学会芯片名人堂。本书有三章介绍了

    中国的芯片历史和两位中国芯片业的奠基性人物——张忠谋博士和张汝

    京博士。本书面向对芯片和科技史感兴趣的读者，可以作为微电子专业的大

    学生和研究生的辅助读物，也可以作为芯片领域的专业人士了解芯片技

    术发展史的辅助读物。

    本书的出版主要归功于机械工业出版社华章公司的策划编辑欧俊先

    生和文字编辑鲜梦思女士。芯恩(青岛)集成电路有限公司董事长张汝

    京博士和方向明女士为本书写作提出了极为宝贵的意见。没有他们的支

    持与合作，就不会有这本书的出版。

    钱纲

    2019年春

    [1] 1英寸=0.0254米。导言 芯片简历

    在过去的50年里，我们日常生活中的方方面面都发生了翻天覆地的

    变化。其中最重要的就是半导体集成电路即芯片(integrated circuit，IC)的发明和应用。芯片为我们带来了计算机和互联网革命，一个崭新

    的数字化时代由此发端。芯片也将我们带入了工业革命4.0。

    今天，地球上的芯片数目远远超过了人口数目。这些芯片在我们身

    边不停地工作着，在手机、电脑、电视机、汽车、火车、飞机中，在所

    有的电子设备中，芯片的影子无处不在。离开芯片，我们就不会有手

    机、电脑、国际空间站等，更不会有苹果、三星、微软、谷歌、Facebook、亚马逊、华为、阿里巴巴等巨无霸式的高科技公司。人类已

    经须臾离不开芯片。

    现在，芯片对我们日常生活的影响举足轻重，但作为普通大众的我

    们对芯片的来历大多一无所知。我们对手机、电脑、互联网的产生、工

    作原理和芯片技术的界限同样也知之甚少。人们不禁会问，芯片是什

    么？芯片是如何被发明的？芯片的工作原理是什么？芯片是怎样被设

    计、制造出来的？今天的芯片技术已经发展到了什么程度？今后，芯片

    会把我们带到哪里？本书就是要回答这些问题。

    1958年，第一块半导体芯片诞生于位于美国得克萨斯州达拉斯市的

    德州仪器公司(Texas Instruments，TI)。20世纪60年代，由于美苏之

    间的空间竞赛，使电子器件的需求大大增加，同时对电子器件的可靠性

    和寿命也提出了很高的要求。很快，硅平面工艺(planar process)和场

    效应管(metal oxide silicon field effect transistor，MOSFET或MOS)就

    成了芯片的主要工艺和器件，它们标志着以分立器件制造电子设备的时

    代一去不复返。一个前所未有的、具有旺盛生命力的、全新的芯片产业

    诞生了。

    自芯片发明至今，芯片已经从电路集成走到了系统集成。芯片产品

    从把电路集成于一小块硅片开始的小规模芯片(small scale integrated

    circuit，SSI)发展到了今天的超大规模芯片(ultr large scale integrated

    circuit，ULSI)。终端产品从板上系统(System-on-board)发展到片上

    系统(system-on-chip)。在这一发展过程中，芯片的产业结构经历了三

    次变革。20世纪70年代，主流芯片产品为模拟电路(analog circuit)、标准

    通用逻辑电路(digital circuit)、特殊用途逻辑电路(application specific

    integrated circuit，ASIC)、微处理器(micro processor)、存储器

    (memory)等。这一时期芯片产业是设计、生产、测试、封装一条

    龙。生产是芯片产业中的主角，设计是从属部门。这是芯片产业以生产

    为导向的初级阶段。

    20世纪80年代，芯片的设计与制造开始分离。出现了单纯的芯片设

    计公司(Fabless)。同时，标准工艺制造公司(Foundry)应运而生。

    此时的主流芯片产品为微处理器(CPU)及专用芯片(ASIC)，芯片

    产业进入了客户导向的阶段。

    20世纪90年代，世界进入了互联网时代。芯片产业的竞争大大增

    加。竞争的方式由原来的资源、价格竞争转向人才、知识和资本的竞

    争。于是，芯片的产业结构开始走向专业化，形成了设计、制造、封

    装、测试独立成行的局面。这种高度分工的产业结构，让整个芯片行业

    的效率大增。

    现今，芯片产业是世界上最大的产业。今天的芯片产业支撑起了一

    个覆盖全球的巨大的信息网络系统，其规模让半个世纪前的人无法想

    象。该系统由300多千兆个计算机芯片组成，该系统中的晶体管总数与

    大脑中神经元的数量相当。互联网上的链接数量也和大脑神经元的连接

    数相当。在这个系统中，信息以5GHz的高速运行着。这一系统是如此

    巨大，它消耗了全球电力的5%。现在，我们的生活已片刻离不开这个

    系统了，这个系统是我们生活的一部分，没有它，我们大多数人将寸步

    难行，而这一切的基础就是本书的主角——芯片。第一篇 半导体材料和半导体器件的前世

    今生

    01 晶体三极管之前的半导体

    芯片(chip)在电子学中是一种把电路小型化，并制造在一块半导

    体(semi-conductor)晶圆(wafer)上的一种具有特殊功能的微型电

    路。

    半导体，是一种在常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体

    (insulator)之间的物质。半导体在收音机、电视机、电脑和芯片上有

    着广泛的应用。半导体电子器件有很多种，最常见的电子器件如电阻、电容、电感都可以由半导体材料制造出来。完全基于半导体特性的电子

    器件为具有整流作用的二极管和具有开关和放大作用的三极管。半导体

    的导电性可被人为地控制，其导电范围处于绝缘体至导体之间。无论是

    从科技或是经济的角度来看，半导体都非常重要。今天，我们绝大部分

    的电子产品，如电脑、手机、电视机中的核心单元都是用半导体材料制

    造的芯片。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓、氮化镓、碳化硅等，在各类半导体材料中，硅是应用最广泛的半导体材料。

    半导体有本征半导体和掺杂半导体之分。本征半导体是不含杂质且

    无晶格缺陷的半导体。受到热激发后，本征半导体会产生电子和空穴

    对，这种由于电子–空穴对的产生而形成的混合型导电即为本征导电。

    掺杂半导体，是在某种元素中掺杂而形成的半导体，最常见的是最

    外电子层具有四个电子的四价元素硅和锗。还有化合物半导体也是掺杂

    形成的半导体，最常见的化合物半导体是砷化镓。

    半导体材料的历史

    人类发现半导体的历史很短。第一个发现半导体的人是英国科学家

    迈克尔·法拉第(Michael Faraday)。1833年，法拉第发现了硫化银的电

    阻随着温度的变化而显现出的特性与一般金属不同。通常情况下，金属

    的电阻随温度升高而增加，法拉第发现硫化银的电阻随着温度的上升而降低。这是人类首次发现的半导体现象。

    1839年，法国科学家亚历山大·贝克雷尔(Alexandre Edmond

    Becquerel)发现了光伏现象。那是一个半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生电压，这是半导体的第二个特征。

    1873年，英国科学家史密斯(W.Smith)发现了硒晶体材料在光照

    下电阻减弱的现象，这是半导体第三个特性。

    1880年，半导体的霍尔效应被发现。

    1874年，德国的布劳恩(Ferdinand Braun)发现了硫化物半导体的

    整流效应。同年，氧化铜的整流效应也被发现。

    至此，半导体的四个特性：电阻率的负温度特性、光照导电效应、光伏现象、整流效应均被发现。但半导体这个名词到1911年才被首次使

    用。

    有关半导体的常识

    制造半导体器件最重要的环节是掺杂(dope)，就是把杂质材料用

    扩散(diffusion)或离子注入(ion implantation)法掺入晶体材料，使晶

    体材料成为半导体。

    半导体中的杂质对电阻率的影响很大。晶体中掺入微量杂质时，杂

    质原子附近的周期势场受到干扰形成附加的束缚态，会产生附加的杂质

    能级。例如，四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原

    子时，杂质原子作为晶格的一分子，其最外电子层的五个价电子中有四

    个与周围的锗(或硅)原子形成共价键，多余的一个电子被束缚于杂质

    原子附近，这个电子很易被激发而成为电子载流子(electron)。

    在锗或硅晶体中掺入微量三价元素杂质原子时，杂质原子与周围四

    个锗(或硅)原子形成共价键时尚缺少一个电子，因而存在一个空穴，电子很易被激发到杂质能级上填补这个空穴，使杂质原子成为负离子，这样就形成了空穴载流子(hole)。

    对掺入五价元素杂质的半导体，属电子型半导体，称N型半导体。

    掺入三价元素杂质的半导体属空穴型半导体，称P型半导体。半导体在任何温度下都能产生电子–空穴对，N型半导体中也会有少量导电空

    穴，P型半导体中也会有少量导电电子，它们被称为少数载流子。在半

    导体器件中，少数载流子非常重要。

    P型半导体与N型半导体接触时，其接触区域称为PN结(PN

    junction)。P区中的自由空穴和N区中的自由电子会向对方区域扩散，造成正负电荷在PN结两侧积累，形成电偶极层。电偶极层中的电场方

    向正好阻止扩散的进行。当载流子密度不等引起的扩散作用与电偶层中

    电场的作用达到平衡时，P区和N区之间就会形成一个电位差，即接触

    电位差(0.6伏左右)。由于P区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子

    复合，而N区中的电子向P区扩散后与P区中的空穴复合，这使电偶极层

    中自由载流子数减少而形成高阻层，故电偶极层也叫阻挡层，阻挡层的

    电阻值往往是组成PN结的半导体的原有阻值的几十倍乃至几百倍(见

    图1-1)。

    图1-1 半导体PN结工作原理示意图PN结具有单向导电性即整流性，半导体整流管就是利用PN结的这

    一特性制成的。PN结的另一重要性质是光照后能产生电势，称为光生

    伏打效应，可利用其来制造光电池。半导体三极管、可控硅、PN结光

    敏器件和发光二极管等半导体器件均基于PN结特性。

    PN结的开关效应：P端接电源的正极，N端接电源的负极称之为PN

    结正偏。此时PN结如同一个开关合上，呈现很小的电阻，称之为导通

    状态。P端接电源的负极，N端接电源的正极称之为PN结反偏，此时PN

    结处于截止状态，如同开关打开。结电阻很大，当反向电压加大到一定

    程度时，PN结会发生击穿而损坏。

    为了满足量产上的需求，半导体的特性必须是可预测并且稳定的，因此包括掺杂物的纯度以及半导体晶格结构的质量都必须严格要求。常

    见的质量问题包括晶格错位(dislocation)、堆栈错误(stacking fault)

    等都会影响半导体材料的特性。对于一个半导体元件而言，材料晶格的

    缺陷通常是影响元件性能的主要因素。图1-2是单晶硅的制造过程。

    如今，高纯度单晶半导体材料最常见的生产工艺称为裘可拉斯基制

    程(Czochralski process)。它将一个单晶的晶种(seed)放入同材质液

    体中，以旋转的方式缓缓向上拉起。在晶种被拉起时，溶质将会沿着固

    体和液体的接口固化，而旋转则可让溶质的温度均匀。

    图1-2 单晶硅的制造过程

    半导体的基础理论是19世纪末到20世纪30年代建立起来的现代物理

    学。1895年德国科学家伦琴(Wilhelm Conrad R?ntgen)发现了X射线，1896年贝克勒尔发现了放射性、1897年英国科学家约瑟夫·约翰·汤姆逊

    (Joseph John Thomson)发现了电子，1900年马克斯·普朗克(Max Karl

    Ernst Ludwig Planck)建立了量子论，1905年和1915年爱因斯坦提出了

    狭义相对论和广义相对论等。这一系列的发现揭示了微观世界的基本规

    律，在此基础上，海森堡(Werner Heisenberg)、薛定谔(Erwin

    Rudolf Josef Alexander Schr?dinger)等人建立了量子力学理论，成为现

    代半导体理论的基础。

    1931年，英国人威尔逊(A.Wilson)将量子力学应用到晶体中，提

    出了能带理论，于是金属、半导体和绝缘体在导电性上的差别得到了理

    论上的解释。1932年，他又提出了杂质能级和缺陷能级的概念，成为掺

    杂半导体的导电机理。1939年，他出版了《半导体与金属》

    (Semiconductors and Metals)一书，概括了当时最先进的半导体理论。

    1939年，苏联的达维多夫(A.Davydov)、英国的莫特(N.Mott)和德

    国的肖特基(W.Schottky)独立地提出了势垒理论，解释了金属–半导

    体接触的整流效应。1940年，塞兹(F.Seitz)出版了《现代固体理论》

    (The Modern Theory of Solids)一书。至此，半导体的基础理论就完成

    了。

    有了半导体理论后，人们就开始以此为基础来探索全新的电子器

    件。02 晶体三极管之前最重要的电子器件：真空管

    如果说芯片是电子时代的砖块，那么我们日常生活中的电器就是由

    芯片搭建起来的楼房。芯片不是突然出现的，它的前身是我们今天在高

    级音响中仍能见到的真空管。很多常用的模拟和数字电路模块其实在真

    空管时代就已经被发明了。因此在讲述晶体管和芯片之前，让我们先来

    看看它们的前身——真空管。

    在晶体管发明之前，常用的电子器件除了电阻、电容和电感之外，最重要的电子器件是真空管。1880年，托马斯·爱迪生(Thomas Alva

    Edison)在研究电灯泡时，做了管壁的防尘防烟实验，他发现在灯泡管

    内独立电极与灯丝之间，在某种条件下会产生电流。该现象被称为爱迪

    生效应(Edison Effect)，但他本人并不重视这一现象。

    1904年，英国工程师约翰·弗莱明(John Ambrose Fleming)利用爱

    迪生效应发明了真空二极管。

    弗莱明出生于英格兰的兰卡斯特，从伦敦大学与皇家化学学院毕业

    后，1892～1898年担任爱迪生电力公司的工程师。弗莱明在电灯、电

    表、发电机等方面做出过许多改良，还发明了弗莱明左手定律。1899年

    起，弗莱明担任马可尼无线电电报公司(Marconi's Wireless Telegraph

    Company简称马可尼公司)顾问。1901年，马可尼公司首次进行横越大

    西洋的无线电信号传送时，使用的大部分器材为弗莱明所制。1904年，他为了寻找可靠的无线电探测器，想到了爱迪生效应，制作了一个在灯

    丝与真空管四周有金属圆筒的器件——真空管二极管(见图2-1)。图2-1 弗莱明制造的最初的真空二极管

    真空二极管的发明标志着人类进入了电子时代。

    真空管是一种在气密性封闭容器(一般为玻璃管)中产生电流，利

    用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。真

    空管由发射电子的阴极(K)和工作时加上高压的阳极(P)组成。灯

    丝(F)是极细的金属丝，电流通过其中时，会使金属丝产生光和热，以激发阴极放射电子。栅极(G)是置于阴极与屏极之间的电极。通过

    对栅极加电压能够调节在阴阳极间的电流。

    真空管是电子时代的鼻祖，真空管发明以后，使收音机的电路和接

    收性能发生了革命性的进步(见图2-2)。图2-2 真空管示意图

    1906年，美国工程师李·德·福雷斯特(Lee De Forest)发明了真空

    三极管。

    弗莱明发明的真空管只有检波与整流功能，还很不稳定。当时，一

    位耶鲁大学毕业后进入西屋电气公司(Westinghouse Electric Corporation

    简称西屋电气)工作的美国工程师福雷斯特，对爱迪生效应也很感兴

    趣。福雷斯特的毕业论文是关于电磁波的研究。1900年，福雷斯特着手

    研究真空管。1906年，他申请到了用电池的真空二极管的专利。福雷斯

    特还提出过许多新构想，例如在灯丝两边加入白金侧翼，灯丝材料指定

    用白金、钽和碳丝，他认为弗莱明管可以整流，而自己的真空管可作为

    继电器。1906年年底，福雷斯特在二极管中多加入了一个栅极，使真空管具

    有了放大与振荡功能，他同时委托灯泡厂生产这一新型真空三极管。此

    专利于1908年2月18日通过，但人们通常认为1906年是真空三极管元

    年，福雷斯特是真空三极管之父(见图2-3)。

    图2-3 福雷斯特发明的真空三极管

    1911年，福雷斯特加盟北加州的联邦电报公司(Federal Telegraph

    Company)。一天，福雷斯特意识到，以不同的方法重接真空三极管，电报传输速度会加快。当他重新排列真空管的三个电极后，他发明了20

    世纪最重要的电子器件：电子放大器。福雷斯特把这个装置的输出端接

    到了一个耳机上，想通过送话器听听怀表的嘀嗒声。结果，福雷斯特的

    耳膜差点被震坏，当他回过神来时，才意识到自己发明了电子放大器，人类第一个非机械装置的信号放大器。

    在美国北加州的硅谷中心帕洛·阿托(Palo Alto)闹市区艾默生大街

    和钱宁街的路口，树立着一块石碑，上面写道：“电子实验室，联邦电

    报公司实验室及工厂最初奠基处。1909年由赛瑞尔·爱辉尔(Cyril F

    Elwell)创立。来自美国东岸的发明家福雷斯特及两位助理，在此研发

    出历史上第一台真空管放大器及真空管振荡器。”真空管的改良

    早期真空管用的是直流电，最早对真空管的改良是使其省电。电池

    既不方便，价格又高。第一次世界大战后(简称一战)后，人们开始尝

    试以交流电作为真空管电源了。通用电气公司(General Electric

    Corporation)为了提升电话线的稳定性，于1913年着手研究交流真空

    管，并于1923年获得专利。西屋电气公司在1921年获得了类似专利，1925年推出第一个成品。

    20世纪20年代，美国推出了许多改良式的真空管收音机，大部分是

    电池式的，只是加上了旁热式变压器。通用电气公司最早是从事电灯泡

    制造的，借此之便，它将钨丝混入少量的二氧化钍。这个配方被误用在

    真空管中，结果使放射能力大增。1921年，兰茂尔(Irvin Langmuir)开

    发出了钍钨灯丝，大大提升了电子发射能力。使用这种灯丝时，如果管

    内有残余氧气，效果就立即打折，因此人们又研究出各种收氧剂来改良

    真空效果。

    与此同时，欧洲人也不甘落后。德国西门子公司很早就加入了真空

    管的生产行列。它推出了电压更低、效率更高的空间电荷闸极极管

    (Space Charge Grid)，西门子公司发明了双闸极真空管。1923年，西

    门子公司正式推出了手提收音机的检波管。马可尼公司为了降低闸极与

    栅极间的电容，提升放大率，开发了帘闸极(Screen Grid)高频放大四

    极管。四极管可用于高周波段的放大，却无法用在低周波上，荷兰的飞

    利浦公司在1927年通过实验将帘闸极和阳极中间插入另一条闸极，开发

    出了第一支五极管，产品编号为B443，用作电池式收音机的功率输出。

    飞利浦公司的2502型收音机因为B443大获成功。1929年，飞利浦公司推

    出了交流电源使用的C443直热管，巩固了其输出管的领先地位。1926

    年，德国罗意威(Loewe)发布了2HF与3NF复合管，成为复合管的鼻

    祖。复合管就是把两个或两个以上的真空管装入一个管内，同时各有其

    独立的功能。德国对收音机的课税，以真空管个数为准，减少管子个

    数，就能少缴税，于是德国人就研发出了复合管。

    在一战中，英国大力开发真空管。1937年，英国的马可尼公司与美

    国无线电公司(Radio Corporation America，RCA)及通用电气公司，发布了International Octal系列真空管，以KT(Kinkless Tetrode)这个型

    号加入了束射功率管行列，为英国真空管开辟了另一片天空。其中

    KT61与KT66，都获得了好评。后来出现的KT88，成为与RCA 6550鼎足而立的产品。

    法国的真空管研发也是因一战而起。在一战前夕，德国人保罗·皮

    森，受德律风根公司指派在美国收集最新通信器材情报，当他要回德国

    在伦敦过境时，德国已对法国宣战。保罗潜入法兰西后被捕，并被引见

    给菲力将军，他拿出了一支真空管，并告知菲力将军其优点。菲力将军

    立刻安排他到法国通信部队，并成立了真空管紧急开发项目组，这是法

    国真空管的起源。保罗找到里昂的一家灯泡厂合作，推出了圆筒型三极

    管，称为Fotos。尽管法国很晚才加入真空管的研发行列，但Fotos的设

    计精巧，推出后订单如雪。法国另一家做过弗莱明管的公司也加入了生

    产，产品被命名为Metal，产品编号以负责开发的法军通信队的缩写

    TM(Telegraph Military)命名。TM管是一战中被公认为最好的三极

    管，英国马可尼公司在战后买下其专利进行生产。它采用的管座插座

    设计，可轻易分离，是真空管的一大突破，这一架构在欧洲被长期使

    用。

    美国幅员辽阔，对长途电话的需求很大。美国电话电报公司

    (ATT)和西屋电气，很早就投入到真空管的相关研究中，并将其触

    角延伸到了欧洲。西屋电气是一家大公司，同时还参与了最早的有声电

    影开发和电话制造业。西屋电气最早推出的真空管Audion性能较差，而

    且每个Audion的规格都不固定。曾在芝加哥大学研究真空管技术，并在

    西屋电气从事水银弧光灯中继器研究的阿诺博士，看到了Audion的潜

    力。阿诺博士对Audion做了一系列改造，降低了它的工作温度，使

    Audion的寿命提升到了1000小时。1918年10月，该成果被用于费城、纽

    约、华盛顿城市间的电话通信，这是人类首度将真空管运用于商用通信

    电路中，真空管的编号为Type A。之后西屋电气又推出广为收音机所使

    用的UV管(Unit Vacuum Tube)。第一个有管座的Type M，用于1915

    年开放的纽约–旧金山大陆横断电话线路中，寿命约400个小时。1915年

    推出的Type L灯丝的长度为Type M的两倍长，寿命则延长为4500个小

    时。一战期间，美国政府责令西屋电气优先开发军用真空管。军用真空

    管需在严酷的温度变化、震动、电压不稳等环境下工作，西屋电气为此

    推出了军用管VT-1与VT-2。西屋电气的电话真空管为Telephone

    Repeater Element，军用真空管则称为Vacuum Tube。

    1920年，美国宾夕法尼亚州的匹兹堡市成立了世界上第一家商业无

    线广播电台——KDKA，引起了很大的反响。西屋电气以Aeriola的品牌

    投入家用收音机制造。但西屋电气开发的真空管数量不多，美国主要的直热式三极管都是Radiotron，西屋电气在低周波功率管方面技术领先。

    通用电气公司以制造直流发电机、电动机、汽车引擎等闻名，它介入无

    线电通信是从高周波发射机入手的。初期的RCA为得到高周波连续功率

    绞尽脑汁，最初它使用电弧式发射器，但工作不稳定。后来想到利用电

    力交流发射机，并委托通用电气公司生产，1906年完成的产品只能达到

    10KHz的频率。不过通用电气公司预见到了发射机的发展前景，于是积

    极投入，1913年完成了200KHz、数千瓦输出的发射机的生产。

    另外，通用电气公司也很快地开发出了真空管，并以Pliotron(希

    腊语，多的意思)和Kenotron(希腊语，真空之意)为它早期的真空管

    命名。Pliotron很快就大型化了。1914年，用于67千米长距离小型高周

    波发射机调变实验成功后，通用电气公司又研发出了200千瓦的大规模

    调变发射机。

    一战期间，通用电气公司把技术加以活用，以克里夫兰的工厂为中

    心，生产了多种真空管，一战中约生产了20万个，西屋电气生产了50多

    万个真空管，对军方贡献很大。RCA则后来居上。

    一战期间，美国海军征收了原属美国马可尼公司跨大西洋的无线电

    通讯部门，并致力于扩充其规模，将原来50瓦的高周波发射机改为通用

    电气公司制造的200千瓦的机器。这部机器由通用电气公司免费提供，对当时的战争起了很大的作用。

    一战后，马可尼公司要求军方归还电信部门，并计划在美国、欧洲

    设立多处据点大展宏图。美国海军得知马可尼公司的企图后，说服通用

    电气公司买下了美国的马可尼公司。1919年10月美国通用电气公司、ATT和西屋电气联合创建了RCA，第二年正式并购美国马可尼公司。

    1920年，RCA、通用电气公司、ATT、西屋电气缔结了互相使用

    专利权的契约——Radio Group，使美国成为真空管研发和生产的大本

    营。RCA顺利取得了通用电气公司的真空管销售权，同时积极投入无线

    广播业务，开发家用电器。1921年，RCA推出的纯钨灯丝UV-216，成

    为一般收音机、留声机的整流专用真空管鼻祖。

    1930年，美国实施反垄断法，这几家公司组成的Radio Group宣布解

    体。

    1928年，RCA发布的RCA250成为世界上第一支音响专用管，深受市场欢迎。

    1936年，RCA发布了最早的束射管6L6，为业界带来一阵鼓舞。

    1937年年底，RCA发布输出为4.5瓦的小型6L6，型号为6V6与6V6G，用

    于一般收音机。

    音箱使用的真空管放大器很快成了改良真空管的动力。高品质音响

    (High Fidelity或Hi-Fi)一词，于20世纪30年代开始流行。此时，美国

    西方电气公司(Western Electric)的WE300A及RCA的2A3真空管面

    世。这两支三极真空管，在音响历史上，写下了光辉的一页(见图2-

    4)。

    图2-4 不同功能的真空管

    当时很多人用WE300A制造出了22瓦的大功率放大器。1939年，美

    国哥伦比亚广播公司为了获得一种宁静的古典音乐回放效果，使用了

    Lacquer Master刻片技术。1944年，英国人发明了一种被称为

    FFRR(Full Frequency Range Recording)的全频带录音技术。音响技术

    从此因真空管放大器而大放异彩。

    不同功能的真空管电路的出现

    1913年，德国物理学家亚历山大·迈斯纳(Alexander Meissner)发明了真空管反馈振荡电路，此后人们可以通过真空管来产生所需频率的

    无线电波。迈斯纳研制出了第一批真空管无线电发射器，用以代替电弧

    式发射机。无线电接收器的灵敏度和可靠性因采用了真空二极管检波器

    与真空管放大器而大大提高。

    1918年，真空管在各类无线电通信和电子设备中得到了普遍应用。

    无线电通信进入了实用阶段。

    1927年，美国工程师哈罗德·布莱克(Harold Black)发明了真空管

    负反馈电路。1936年，这一电路被运用在电话机的放大线路中。

    福雷斯特的真空管放大器是历史上第一个用非机械方式控制电流的

    装置。福雷斯特的真空三极管促成了近代无线电通信、长途电话、收音

    机、雷达、电视和电脑的发明。世界从此进入了电子时代。但真空管缺

    点很多：体积大、功耗大、寿命短、效率低等，这些缺点制约了电子技

    术的进步。电子工业急需真空管的替代品。03 无线电通信和真空管收音机

    无线电通信是20世纪初电子技术发展的动力。19世纪，人类发明了

    有线电报，这是人类第一次利用电讯号作为通信媒介的尝试。有线电报

    在效率和准确性上远远超过了以往的邮件通信。有线电报有两项意义非

    凡的创新，第一是利用了电讯号，其传播速度极快；第二是编码技术，即把英文的26个字母利用点、横来进行编码，其实这就是最初的二进

    制。

    19世纪下半叶，电磁波的发现为无线电通信提供了物理基础。从

    此，人类开始以光速来进行信息交流。与此同时，由于大量电子元器件

    的不断发明，开启了人类电气化时代的到来。

    无线电报的发端

    1844年，美国画家莫尔斯(Samuel Finley Breese Morse)发明了电

    报和莫尔斯电码，将人类远程通信推向新的领域。使用莫尔斯电报工作

    时必须要有导线连接两端的收发报机，这就是有线电报通信(见图3-

    1)。今天，我们的远程通信使用的是以电磁波为媒介的无线电通信。图3-1 莫尔斯的有线电报收发报机

    1888年，德国科学家赫兹(Heinrich Hertz)发现了由英国科学家麦

    克斯韦(James Clerk Maxwell)预言存在的无线电波。

    1890年，法国科学家爱德华·布兰利(édouard Branly)在重复赫兹

    实验时探测到电磁波通过金属粉末(铜、铁或铝屑)时，其导电率大增

    的现象。他把金属粉末装入玻璃管，再在两头各引出一根电极。布兰利

    利用这个检波器把探测距离增大到了140米。

    1894年，英国的罗基爵士(Sir Oliver Joseph Lodge)改进了布兰利

    的检波器，使远程探测和接收电磁波成为可能。1895年夏，一位意大利地主的儿子，年仅21岁的马可尼在他父亲的

    庄园里，成功地实现了1.7千米的无线电报通信。后来，马可尼又用加

    格迪许·波斯(Jagadish Chandra Bose)发明的无线电接收器设计方法改

    进了他的无线电报接收器。1896年，马可尼做了10～20千米的无线电通

    信演示，并为他的无线电报申请了专利(见图3-2)。

    图3-2 马可尼和他的无线电报收发报机

    1894年，俄国物理学家波波夫(Alexander Stepanovitch Popov)改

    良了粉末检波器，并通过高架导线，记录了大气放电现象。1895年5月7

    日，波波夫在俄国科学院物理学部年会上演示了他的“雷暴指示器”。

    1896年，波波夫在两幢相距250米的大楼之间表演了无线电通信。

    1897年，波波夫制作了军舰与陆地间的无线通信设备，无线电报被

    普遍认可。

    1898年，马可尼的无线电报首次应用于商业性通信。1899年，波波夫将无线电通信用于军事，建立了方圆40千米的无线

    电通信网络。

    1900年，马可尼正式取得由线圈和可变电容器组成的调谐回路专利

    权，调谐回路被广泛地应用到各类无线电通信设备上。

    1901年，马可尼用10千瓦的火花式发报机，完成了大西洋间的无线

    电通信。马可尼因此获得了1909年度的诺贝尔物理学奖。

    马可尼很有商业头脑，他很快就成立了世界上第一家收音机工厂并

    获得了专利权。尽管有人批评他制造的收音机，只是结合了其他人的发

    明——赫兹的线圈天线、罗基的调谐器及接收器、尼古拉·特斯拉

    (Nikola Telsa)的火花器。但不可否认，马可尼在无线电通信设备的实

    际应用方面贡献非常突出。

    无线电广播的发端

    1900年，出生于美国缅因州波特兰市的无线电先驱格林利夫·皮卡

    德(Greenleaf Whittier Pickard)发明了最早的收音机——矿石收音机

    (见图3-3)。矿石收音机由天线、地线及基本调谐回路和矿石做的检

    波器组成的没有放大电路的无源收音机，是最简单的无线电接收装置，主要用于中波公众无线电广播的接收。

    图3-3 皮卡德和他的的矿石收音机专利矿石收音机无须电源，结构简单，深受无线电爱好者的青睐。但它

    只能供一人收听，接收性能比较差，在客观上制约了无线电广播的普及

    和发展。

    尽管矿石收音机有很多缺点，但是它宣告了人类通信史上的一个崭

    新时代的到来。很快，收音机就成了人们的日常消费品进入了千家万户

    的的普通家庭。矿石收音机是一个简单的无线电接收机，由长导线天

    线、用于选择信号频率的调谐器和由二极管解调器构成的检波器组成，矿石收音机的最大特点是不需要任何电源就能工作，这一特点让其在那

    个电力不算普及的年代获得了极大的优势。即使在一战后，真空管收音

    机已经开始普及，矿石收音机依旧很流行，尤其是在业余初级无线电爱

    好者和学生中。他们通过制作矿石收音机来学习基本的电子和通信知

    识。

    1906年12月24日，加拿大发明家费森登(Fessenden)在美国马萨诸

    塞州的布兰特罗克镇的国家电器公司(National Electric Company)128

    米高的无线电塔上进行了一次无线电广播。广播节目是读《圣经》中有

    关耶稣降生的故事，另外还配有小提琴演奏曲。在演播前，费森登在报

    纸上进行了预告，并发出无线电报，通告报界和大西洋上的来往船只。

    那天晚上，大西洋上船只的无线电发报员听到了小提琴和一位男子朗读

    圣经的声音。这是世界上第一次成功的无线电传声实验，被公认为是无

    线电广播诞生的标志，费森登也因此被称为无线电广播之父(见图3-

    4)。图3-4 费森登和1906年他登使用的无线电发射装置

    费森登虽然最早实现了无线电广播，但因受限于当时的技术，无线

    广播很不稳定，信息传送的距离也不远，没能实现大规模应用。在费森

    登第一次实现无线电广播的同年，福雷斯特发明了真空三极管。真空三

    极管的发明是电子科技革命的标志，因为只有当真空三极管的放大作用

    被发现后，电子科技史上影响深远的各类电路才被发明出来，电子技术

    才走向实用。20世纪初，无线通信和广播的出现无疑是电子技术发展的

    巨大推动力。

    1909年，从斯坦福大学毕业的查尔斯·哈罗德(Charles Herrold)在

    圣何塞市成立了历史上第一家无线广播电台，哈罗德任台长兼工程师，他的妻子担任播音员。该电台在旧金山湾区的青少年中引起了巨大轰

    动，催生了一批业余无线电台和兴趣小组。硅谷之父弗雷德里克·特曼

    (Frederick Terman)教授就是其中的狂热分子，他与邻居的两个孩子建

    立了一个业余电台，他们一个是斯坦福大学化学教授的儿子，另一个是

    斯坦福首届毕业生，后来的美国总统赫伯特·胡佛的儿子。特曼后来回

    忆道：“想起过去我很开心，当时我们三家是邻居，我们高兴地摆弄自

    己的新玩意，试验它的功能，然后推开窗户大声问对面的伙伴是否能听

    到这边的声音。”1912年，还在哥伦比亚大学读书的埃德温·阿姆斯特朗(Edwin

    Howard Armstrong)发明了反馈振荡器和再生电路。反馈振荡器的发

    明，使产生特定频率的无线电波成为可能。再生电路，利用正反馈原

    理，使信号的放大能力大大加强，显著提高了接收机的性能。再生电路

    因其性能好、结构简单，在一战和二战时都曾被广泛应用。1918年，阿

    姆斯特朗又提出了超外差接收机，这是一个具有划时代意义的发明，这

    使得接收机的灵敏度、选择性都大大提高，使商业无线电广播成为可

    能，直到今天，超外差原理仍然被广泛应用于各类收音机中。

    超外差收音机的发明得益于真空管放大器和反馈振荡器的发明。调

    幅(AM)广播信号是利用音频信号调制一个高频的载波信号得到的，高频的载波信号有利于发射，而音频信号携带信息，音频信号控制载波

    信号的幅度变化，即为调幅。接收时，收音机要从信号中去除载波信

    号，再把音频信号，传送给耳机或音响，该过程叫检波。

    早期收音机将高频载波信号放大后，直接检波得到音频，这种方式

    对选频网络的灵敏度要求很高，由于当时的技术条件有限，高频放大器

    很难有足够的增益。而超外差接收机则利用本机振荡器产生一个等幅正

    弦信号，与天线接收回来的调制信号进行混频，得到中频信号。这个中

    频信号低于载波高于音频，在接收不同载波频率(不同频道的电台)的

    调制信号时，只需改变本机振荡器的频率，就能在中频频率不变的情况

    下，选择接收到另一个频道的信号。这样，中频放大器就可以用高性能

    的窄带放大器来实现，并且用窄带的中频滤波器实现高选择性。经过中

    频放大器放大的中频信号得到了足够的增益后，再进行检波获得音频信

    号。

    超外差技术使收音机的灵敏度大大提高了，促成了美国商业无线广

    播的诞生。而无线广播的迅速发展，则又带动了模拟通信技术的革新，从此进入了长达70年的模拟电子技术的黄金时代。

    阿姆斯特朗获得超外差接收机的专利后，很快就赚了很多钱。1923

    年，他已经是百万富翁了。这一年，他和玛丽·麦克英尼斯(Marion

    MacInnis)结婚了，作为结婚礼物，阿姆斯特朗制作了世界上第一台便

    携式超外差收音机送给了妻子(见图3-5)。阿姆斯特朗的妻子当时是

    RCA总裁大卫·沙诺夫(David Sarnoff)的秘书，沙诺夫是阿姆斯特朗的

    好友。沙诺夫邀请阿姆斯特朗加盟他的公司改良调幅无线电广播，以消

    除信号干扰和畸变。图3-5 阿姆斯特朗和妻子及他为妻子制作的便携式收音机

    在对调幅无线电广播的改良过程中，阿姆斯特朗意外地发明了一种

    更好的调制方法——调频(FM)技术，彻底解决了调幅无线电广播中

    的信号干扰。经过了几年的实验，阿姆斯特朗证明FM信号能够减少100

    多倍的电磁干扰，传递的声音也更加清晰和保真。阿姆斯特朗于1934年

    获得了这项技术的专利。图3-6是阿姆斯特朗手绘的反馈电路。

    获得专利后的1935年，阿姆斯特朗向听众展示了FM技术的优势，他发送了泼水和撕纸的声音，这两种声音通过AM发送时完全无法识

    别，但是通过FM发送就可以。用FM传输的爵士乐效果也非常好。当时

    《奥格登标准观察报》(Ogden Standard-Examiner)的一篇报道中曾写

    道：“如果在座的50位工程师闭上眼睛，那感觉就像是这间屋子里有一

    个爵士乐队一样。没有任何多余的声音。”图3-6 阿姆斯特朗手绘的反馈电路

    阿姆斯特朗坚信FM具有比AM更大的优势，但他在推广自己的发明

    时面对的最大阻力，是来自AM技术的既得利益者，他的昔日好友——

    沙诺夫。

    沙诺夫是RCA的总裁，被誉为美国广播通信业之父。RCA通过AM

    技术已经建立了一个巨大的商业帝国。但FM技术的出现，使这个商业

    帝国遇到了威胁。于是，沙诺夫利用他的影响力，雪藏了FM技术。沙

    诺夫说服了美国联邦通讯委员会(Federal Communications

    Commission，FCC)，让他们相信FM技术可以改良调幅技术，但还需

    很长时间。于是，美国联邦通讯委员会禁止了商业调频广播的运作，并

    限制FM技术的实验研究。图3-7是AM与FM原理示意图。图3-7 调幅(AM)与调频(FM)原理示意图图

    后来，RCA开始开发自己的FM技术，并无视阿姆斯特朗的专利，直接销售调频收音机。RCA称该技术是由自己公司发明的，并获得了专

    利。

    1948年，阿姆斯特朗起诉RCA，指控该公司盗窃和侵犯了他的五项

    基本FM专利。RCA聚集了一众律师开始诉讼前的准备，在持续数年的

    诉讼中，这些律师采用了车轮战，不停地质疑阿姆斯特朗，直到他的健

    康状况和财务状况开始恶化。有报道引述阿姆斯特朗的话说：“只有我

    死了或者破产，他们才会停止。”在1953年的感恩节的晚上，阿姆斯特

    朗不停地咒骂着，喋喋不休地向他的妻子抱怨钱的事，他拿着火钳咒

    骂，然后在他的妻子的手臂上打了一下，他的妻子因此离开了他，搬去

    和自己的妹妹同住。

    接下来的圣诞节和新年，他都是一个人孤独地度过的。2个月后，1954年1月31日的晚上，阿姆斯特朗在他的13层楼的公寓里穿好自己的

    大衣，戴好了帽子和手套，然后小心地将空调从窗子上移下来，从楼上

    跳了下去。《纽约时报》在报道他的死亡时提到他留给妻子的遗

    言：“他因为没能再看到自己妻子一眼而伤心欲绝，他因为自己伤害了

    她而感到非常后悔，她是他这一生最宝贵的财富。”他曾经的朋友沙诺

    夫对此只说了一句：“我没有杀他。”阿姆斯特朗的妻子在他死后继续着他的战斗，在律师达纳·雷蒙德

    (Dana Raymond)的帮助下，最终赢得了2场胜利，其他18项专利也达

    成了协议。赢得这些诉讼得到的钱进入了阿姆斯特朗纪念研究基金会，开始该基金会支持小型的FM公司，而现在该基金会的目标是激励和奖

    励无线电的研究人员。1955年，国际电信联盟(International

    Telecommunication Union)将阿姆斯特朗的名字加入了名人堂。1983

    年，美国发行了阿姆斯特朗的纪念邮票。2000年，他进入了消费电子协

    会的名人堂。

    阿姆斯特朗最终还是没能看到诉讼胜利的那一天，任何伟大的创新

    都会受到既得利益者的拼命阻挠，这是资本世界的本性，我们无法准确

    地判断这到底是好还是坏。只能说，这是一个悲伤的故事。

    20世纪20年代是真空管收音机发展最快的年代，首先得益于军事科

    技的发展，其次是因为1920年美国匹兹堡KDKA电台作为世界上第一家

    商业电台面向民众正式开播后，人们对信息的渴望如决堤的水坝一样汹

    涌而出。经过短短的2年，1922年美国商业电台就超过了500家。20世纪

    20年代，美国任何一家电器商店都有很多购买真空管收音机的普通民

    众。真空管收音机的风靡程度可见一斑。

    图3-8 无线电广播工作原理示意图

    1921年，英国、加拿大、新西兰、澳大利亚和丹麦；1922年，法

    国、苏联；1923年，德国、中国(1月23日，上海)；1924年，荷兰、意大利；1925年，日本，这些国家都相继建立起了商业无线电广播电

    台。

    1935年，全世界的商业无线电广播电台已达到1700多家。真空管收音机相对于早期的矿石收音机来说，最大的优势在于其使

    用方便且音质浑厚，使用者不需要具有专业的电子基础就可以对收音机

    进行操作，由于采用单独供电及真空管进行放大，因此对信号强度的要

    求相对矿石收音机来说要低，这一优势为电台的普及提供了良好的硬件

    基础。

    1930年以前，几乎所有的真空管收音机都是采用两组直流电源供

    电，一组作为灯丝电源，一组作为阳极电源，而且耗电量较大，用不了

    多久就要换电池，收音机的使用成本很高。1930年前后，使用交流电源

    的收音机研制成功，真空管收音机开始大规模地走进普通民众家庭。但

    真空管具有体积大、功耗大、易发热、寿命短、电源利用效率低、结构

    脆弱而且需要高压电源的缺点，大大限制了它的应用空间。

    中国无线电广播几乎和世界无线电广播同步发展。1923年1月23日

    晚，由在华经营电信业务的商人奥斯邦(E.G.Osborn)与《大陆报》

    (The China Press)联办的中国第一家民办广播电台——中国无线电公

    司(Radio Corporation of China)，在上海开始播音。它每晚播音1小

    时，内容有国内外的新闻，但主要是娱乐节目，星期日设有《布道》

    《祈祷》等宗教性节目。为了推销收音机，该电台还举办了无线电基本

    常识讲座，同时出售真空管收音机。很快上海市就有500多台收音机可

    以接收该电台的广播节目了，这是上海地区最早出现的一批收音机。之

    后，随着广播电台不断的建立，收音机在上海逐渐兴起，但都是舶来

    品，以美国产品最多，其种类为矿石收音机和真空管收音机，市民大多

    喜欢用矿石收音机。

    1924年8月，北洋政府交通部公布了组装广播无线电接收机的暂行

    规定，允许市民自行组装收音机。市民组装收音机者越来越多。同年8

    月，上海俭德储蓄会颜景焴组装出了超外差式收音机。翌年10月，亚美

    无线电股份有限公司在松江区图书馆内，试验组装的矿石收音机与真空

    管收音机均获得成功，它们不仅收到了上海电台的无线电电波，也收到

    了日本电台所播的音乐节目。

    1933年10月，亚美无线电股份有限公司生产了1001号矿石收音机，外形小巧美观，价格低廉，收音性能良好，受到上海市民欢迎。1935年

    10月，该公司生产出第一台1651型超外差式五灯收音机。该机除真空管

    和碳质电阻外，所用的高周与中周变压器及电源变压器和线圈均为自行

    设计制造。此后，一批无线电制造厂相继开始生产收音机。其中中雍无

    线电机厂规模较大，仅次于亚美无线电股份有限公司，1936年其生产出标准三回路一灯收音机与直流三灯收音机等产品。此外，还有华昌无线

    电机厂、亚尔电工社等，都先后生产过一灯到五灯收音机。虽然生产手

    段较落后，产品数量不多，但这些产品在国内无线电制造业中占有一定

    的市场。

    1936年，随着广播电台事业的发展，收音机在上海市逐步普及，总

    数约在10万台以上，但几乎都是国外制品，国内的无线电制造业发展缓

    慢。1937年7月，抗日战争全面爆发，上海无线电制造业受到打击。

    1942年，侵沪日军禁止市民使用七灯以上的收音机，并强迫市民拆除收

    音机的短波线圈，各无线电制造厂在日伪统治下，生产陷于停滞状态。

    1945年，上海的无线电制造业重新得到恢复，同时又发展了一批新

    的无线电厂商。1947年年底，上海的电器公司有590家，其中无线电公

    司有235家。同年，国民政府资源委员会在上海建立研究所，制成资源

    牌台式和落地式八灯高档收音机。新中国成立前夕，上海从事收音机及

    其零件制造的工厂有7家，从业人员共113人。

    1953年，新中国研制出了第一台全国产化的收音机——“红星牌”真

    空管收音机，并投放市场(见图3-9)。图3-9 1950年，南京无线电厂生产的全国产化“红星牌”真空管收音机

    无线电广播和收音机，从它们诞生的那天起，就受到了人们的喜

    爱。100多年来，它改变了我们的通信手段，改变了这个世界。正是无

    线电广播和收音机把我们带入了电子时代，此后，承载人类信息的载体

    成为尺寸极小的电子，而人类信息传播的速度则达到了光速。人类由此

    进入了一个崭新的电子时代。04 真空管带来的全新电子技术和最初的电子计算机

    在当今的信息时代，我们每天都要和各种智能设备打交道。无论是

    电脑、智能手机，还是智能电视，这些智能设备里都有一颗计算机心

    脏。正是因为电子科学的飞速发展，计算机的研究和应用才取得了突

    破。

    20世纪初，随着真空三极管的发明和应用，人们知道了通过电子信

    号的传递和变换来发明计算机，其速度和精度将是其他手段无法比拟

    的。随着通信电子技术进入模拟时代，很快出现了模拟计算机。20世纪

    20年代，很多国家开始了模拟计算机的研制。

    模拟计算机是先用具体的电压值表示自然界的物理量或数字，再通

    过一个模块来对该电压进行加、减、乘、积分、微分等计算，得到一个

    同样用电压值表示的结果。这样我们就可以通过由电子器件组成的系统

    来对真实的世界进行模拟和分析。该模块需要完成的功能就是依照数学

    运算法则来进行电压的变换，它被称为运算放大器(Operational

    Amplifier)。

    模拟计算机最早用作一些需要快速输出结果的固定运算，这种运算

    的目的并不是要得到数学上的精确解，而是要得到一个能用于实际应用

    的符合精度的近似结果。二战期间，贝尔实验室率先研制出M9火炮指

    挥仪。二战后，人们以M9中的运算放大器为基础，于1947年研制出全

    电子直流模拟计算机。

    真空管带来的全新电子技术

    随着数字计算机的飞速发展，模拟计算机很快被数字计算机取代。

    但是模拟计算机的核心零器件运算放大器不但没被淘汰，反而成为模拟

    电子技术的核心。模拟电子技术的发展史分为两部分：一部分是千方百

    计地应用运算放大器，另一部分是千方百计地改进提高运算放大器的性

    能。

    运算放大器的历史，要从瓦特的蒸汽机开始说起。瓦特在改良纽科

    门蒸汽机时的一个重要里程碑是发明了离心调速器。离心调速器是最古

    老的自动控制系统，它最早应用了负反馈原理，实现了对蒸汽机转速的自动控制，是近代自动控制的先河。反馈控制的思想，不仅是自动控制

    的核心，也是模拟电路的核心，影响极为深远。

    图4-1 离心调速器

    20世纪初，真空三极管的放大作用使得人们可以将微弱信号放大，使弱信号的远距离传输成为可能。这一技术很快就被贝尔实验室用于电

    话信号传输，但放大器的增益不稳定问题一直困扰着贝尔实验室的工程

    师。无论怎样精心设计电路，放大器的增益都会因为温度、时间等原因

    发生显著变化。增益过高，信号产生失真，使音质变差；增益过低，信

    号太弱，无法听清。贝尔实验室的工程师为此苦于无策，这时一位29岁

    的年轻工程师哈罗德·布莱克开始着手研究这一课题了。

    布莱克家住纽约，贝尔实验室位于新泽西，他每天乘坐轮渡跨过哈

    德逊河(Hudson River)上班。在轮渡上，布莱克有时间思考一些基本

    概念。开环放大器之所以增益不稳定，是因为真空管本身的非线性，并

    且易受环境影响，无源器件比有源器件稳定得多，若放大器的增益只取

    决于无源器件，问题就能解决。于是他参照离心调速器的原理，发明了

    负反馈(Negative Feedback)放大器(见图4-2和图4-3)。图4-2 负反馈放大器原理图

    图4-3 负反馈放大器电路图

    1927年8月2日，布莱克第一次将这个设计理念记录下来。1933年，第一个负反馈放大器被研制出来了。1936年，负反馈放大器被运用在电

    话机的放大线路中。

    反馈放大器就是利用一个增益远大于实际使用增益的放大器，把一

    部分放大器的输出信号反馈到输入端，以反馈的信号抑制输入信号。输

    出信号过强时，减弱输入信号，输出就回到了正常水平；输出信号太弱

    时，加强输入信号，使输出升高。于是整个反馈放大器电路的增益取决

    于反馈回路，而不是放大器的增益。电路的增益由无源反馈器件来控

    制，与放大器无关。这就是负反馈放大器的基本原理，至今仍然是运算

    放大器的核心原理。运算放大器的出现解决了放大器增益不稳定的问题。利用负反馈原

    理，人们做出了布莱克研制出的稳定下来的放大器，并用这些放大器进

    行加、减、乘、除、对数、微分和积分等运算。使利用电信号进行数学

    计算成为可能，人们开始以电子系统来模拟和预测真实物理系统的行

    为。二战爆发后，该方法很快被用于火炮控制等场合，这直接促进了模

    拟计算机的出现。从此，布莱克发明的负反馈放大器被叫作运算放大

    器，这种用电子系统来模拟真实世界的技术就是沿用至今的模拟技术。

    经过不断的改进，运算放大器的性能有所提高，但在开环增益增加

    到一定程度后，有些运算放大器工作会不正常，甚至发生振荡而无法使

    用，因此布莱克向同事哈利·奈奎斯特(Harry Nyquist)请教如何解决这

    种问题。

    奈奎斯特在研究后发现，放大器固有附加相移使反馈发生了变化。

    因为放大器本身的电容使输出和输入信号间产生了相位差，该相位差随

    着频率增大而增大，到180度后，输出与输入信号反相。放大器由负反

    馈进入正反馈，放大器就会发生振荡。

    奈奎斯特的分析很复杂。1942年，H.哈里斯(H.Harris)在拉普拉

    斯变换基础上，引入了传递函数的概念，以此建立了运算放大器的稳定

    性分析和补偿理论。

    布莱克利用奈奎斯特的分析结果，在运算放大器中采用了电容补偿

    方法，并于1934年发表了论文和专利。1941年，贝尔实验室的卡尔·斯

    瓦兹尔(Karl D.Swartzel Jr.)在此基础上，设计了第一款商用的真空管

    运算放大器——加法器。

    真空管电子计算机

    现代电子计算机的发展有几个组成部分：一是计算机理论，即计算

    机的可能性，以及计算机功能的界限；二是基础器件，即最小的计算器

    件，或者说最少的物理操作步骤，如今通用的最小计算器件是晶体管，它是一个最简单的开关电路；三是电路设计，即如何用晶体管开关电路

    实现逻辑功能；四是人机界面，即操作系统；五是应用软件，即计算机

    语言和应用程序。

    真空管的出现，不但为无线电收音机的发展打开了一扇大门，也为电子计算机的发明铺平了道路。

    1941年，德国人朱斯(Konrad Zuse)制造出第一台可编程的电子计

    算机——Z-3电子计算机。这台计算机使用了大量的真空管，可处理7位

    指数、14位小数每秒能做三四次加法运算，做一次乘法运算需要3～5

    秒。

    朱斯Z-3电子计算机

    20世纪40年代，哈佛大学物理系的霍华德·艾肯(Howard Aiken)

    也在考虑设计通用的计算机。当时IBM的总经理托马斯·沃森(Thomas

    Watson Jr.)极具慧眼，资助了艾肯的设想。1944年，艾肯研制出了

    MARK-1号计算机，它有15万个元件和800千米的电线，每秒能进行200

    次以上的运算。女数学家葛丽丝·霍普(Grace Hopper)为它编制了计算

    程序，该计算机能解微分方程。MARK-1号的问世实现了巴贝奇的夙

    愿，也是自帕斯卡计算机问世以来机械和电动计算机的最高水平。艾肯

    MARK-1号计算机

    同一时期，贝尔电话实验室的科学家斯蒂比兹(George Stibitz)领

    导的一个研究小组也在研制继电器式计算机。1940年，他们制造出了复数计算机(Complex Number Calculator)，主要用于复数计算。人们对

    它的运算能力感到很满意，但它是专用机，不是通用机。1944年起，斯

    蒂比兹的研究小组又花了3年建造了类似的通用机。1946年，CNC正式

    运转，性能很好，是现代多任务处理机的始祖。

    1940年9月，贝尔实验室的研究人员在达特茅斯学院(Dartmouth

    College)演示Mark-1。他们把校园内的Mark-1型机和电报线相连，当场

    把一个数学问题解了出来并传输到了纽约，这是人类首次实现用计算机

    进行远程控制的梦想。

    任何时代，军事科研总是走在时代的最前沿，电子计算机的研发也

    是如此。二战爆发后，为了计算火炮弹道，需要实时计算工具。当时人

    们已经生产出了具有记数、计算、传输、存储、控制功能的电子设备，电子计算机应运而生。1946年，宾夕法尼亚大学的埃克特(John Adam

    Presper Eckert Jr.)等人在没有对ABC的介绍的启发下，研制出了那台有

    名的电子计算机——埃尼阿克(Electronic Numerical Integrator and

    Computer，ENIAC)。它有17 468个真空管，7200多个二极管，70 000

    多个电阻，10 000多个电容器和6000多个继电器，50多万个焊接点，机

    器被安装在一排2.75米高的金属柜子中，占地面积为170平方米左右，重30吨，运算速度每秒5000次加法，能在31000秒内完成两个10位数乘

    法。当时最快的计算机做40点弹道计算，需要2小时，埃尼阿克只需3

    秒，实乃奇迹。但是埃尼阿克并不完善，它没有存储器，只有寄存器，仅能寄存10个数码，且耗电量惊人，当时有个笑话说，只要它一开机，整个费城的路灯都会变暗。计算机界有名的Debug一词也来自埃尼阿

    克，因为埃尼阿克中的电线常被虫子(Bug)咬断，检修人员常常要到

    机器里去查找被咬断的电线，再把它接上，于是寻错就被Debug一词取

    代。尽管埃尼阿克很简陋，但是它象征着第一代电子计算机的诞生。埃克特埃尼阿克

    虽然埃尼阿克的功能还比不上今天的一台智能手机，但在当时，它

    绝对是运算速度最快的计算机，其精度也是史无前例的。以圆周率的计

    算为例，当时的记录由英国人保持，为小数点后707位。如果用埃尼阿

    克算圆周率，40秒就达到了710位，并发现了原纪录中的第528位的计算

    错误。

    埃尼阿克奠定了电子计算机的发展基础，是第三次产业革命的发

    端。

    埃尼阿克诞生后，数学家冯·诺依曼(John von Neumann)对计算机

    理论做出了重大改进。他发明的计算机有两个特点：一是用二进制运

    算，二是硬件指令由程序控制。此后的计算机由五个部分组成：运算

    器、控制器、存储器、输入装置和输出装置。今天，绝大部分的计算机

    仍是冯·诺依曼式的。1955年，军方宣布埃尼阿克退役，但这项历史性的发明并没有得到

    很好的保存。一些硬件被有心人收藏，并将它们捐献给了密歇根大学。

    即使真空管存在很多缺点，但是在固体电子器件发明之前，真空管

    仍是最好的电子器件。真空管一直使用了40年，直到被晶体管取代。

    尽管这一时期代表计算机最高水平的是以真空管为组件的埃尼阿

    克，但是现代电子计算机的最重要的组成部分都已经初步形成。为计算

    机理论、计算机的可能性以及计算机功能的界限提供了理论基础；图灵

    (Alan Mathison Turing)的理论。而计算机的基础器件，即真空管已经

    成熟；香农(英文名字)的开关电路可以为电子计算机实现任何逻辑功

    能；再加上已经初步研发出来的操作系统和应用软件，这些最初的努力

    为后来的第三次工业革命奠定了坚实的基础。此后，半导体芯片的发明

    促成电子计算机的功能呈指数式发展。它彻底改变了我们的生活方式，成为我们今天生活中不可可缺的东西。

    图灵冯·诺依曼香农

    至今，电子计算机已有大约70年的历史了。在工艺上，它经历了四

    代，第一代是真空管计算机，第二代是晶体管计算机，第三代是芯片计

    算机，第四代是大规模芯片计算机。05 发明晶体管：贝尔实验室的奇迹

    20世纪末，《洛杉矶时报》选出了50名20世纪经济领域最有影响力

    人物。并列第一位的是威廉·肖克利、罗伯特·诺伊斯和杰克·基尔比。肖

    克利发明的晶体管，诺伊斯与基尔比发明的芯片，奠定了第三次工业革

    命的基础。现代汽车工业的奠基人亨利·福特、二战时的美国总统罗斯

    福、迪士尼动画王国创办人华特·迪斯尼排名第二位至第四位。

    20世纪末，贝尔实验室回顾它在20世纪的发明时认为，贝尔实验室

    在20世纪最具影响力的两大发明是晶体管和计算机操作系统UNIX。20

    世纪是近代物理崛起的世纪，近代物理中对人们日常生活影响最大的就

    是半导体和电脑。比起汽车和飞机，电脑对人们日常生活的影响是全方

    位、无孔不入的。同时，半导体和与半导体相关的产业也成为世界上最

    大的产业。这些都源于肖克利发明的晶体管和他的晶体管理论。因此，无论你怎样评价肖克利对高科技的贡献，都不过分。

    物理天才肖克利

    说到晶体管，人们就一定会提到物理天才威廉·肖克利。1910年2月

    13日，肖克利出生于英国伦敦，他的父母是美国人。肖克利父亲的直系

    祖先是坐“五月花”号来北美的第一批清教徒。3岁时，肖克利一家回到

    了美国加利福尼亚州圣克拉拉县的帕洛·阿托市。肖克利是独子，父亲

    是采矿工程师，毕业于麻省理工学院，精通八国语言。肖克利的母亲是

    斯坦福大学第一批女毕业生之一。

    肖克利小时候非常瘦弱，而且特别淘气。他的恶作剧让人无法忍

    受，他曾在客厅的地毯下装了一个开关，客人踩到时，会在其身后发出

    恐怖的声响，令人大吃一惊。他收集各种奇特的宠物，与邻家孩子相处

    得很紧张，而且脾气十分暴躁。因此，肖克利的童年很孤独。

    肖克利家的邻居斯坦福大学教授罗斯对童年时的肖克利影响很大。

    罗斯教授有两个女儿，肖克利常去罗斯教授家和他的两个女儿玩耍。罗

    斯教授激起了肖克利对科学技术的兴趣，但肖克利的性格并没有因此改

    变。

    后来，肖克利进入帕洛·阿托军校(Palo Alto Military Academy)读书。在那里，肖克利接触到了高科技产品收音机和形形色色的新发明。

    1925年，肖克利的父亲去世后，他们一家搬到了洛杉矶，肖克利就读于

    好莱坞高中。肖克利的傲慢态度在少年时就显露无遗，他对当代的工业

    进步也非常着迷。1928年，在一篇高中期末论文里，他这样写道：“我

    们处在一个机械化的时代。我们能飞速旅行，能用最有效的方式打击敌

    人，这一切全仰仗机械发明。”

    关于肖克利的智商，有个著名的传说：小时候，肖克利的妈妈带他

    去斯坦福大学找发明智商测试法的老特曼(Lewis Terman)教授给他测

    智商。结果是129分，高于平均值100分，是个聪明人，但没到达到135

    分的天才标准，让妈妈大失所望。但她不死心，第二年又让小肖克利测

    了一次，这次是125分，肖克利的妈妈只好认命。有趣的是，肖克利的

    妈妈自己也测了一下，结果是161分。看样子智商是无法遗传的。肖克

    利后来的成就说明了，一个人的成功与否，智商固然重要，但天时、地

    利、人和更重要。

    肖克利最初读的是加州大学洛杉矶分校物理系，一年后他转去加州

    理工学院物理系，当年加州理工学院的教授都是名师。肖克利还是一位

    攀岩高手，纽约有一条以肖克利命名的攀岩路径，叫“肖克利天

    棚”(Shockley Ceiling)。肖克利曾攀登过阿尔卑斯山脉的主要山峰。

    在他晚年时期，肖克利开始航海。1961年7月23日，一起严重的交通事

    故才使肖克利放弃了体育运动。

    在洛杉矶的这些年，肖克利接受了好莱坞文化，这让他非常喜欢出

    风头。在贝尔实验室工作时，他曾在公司餐厅里徒手爬上了最高的一面

    石墙，以此来引人注意。肖克利从不掩饰要用自己的才能来获取财富，并成为百万富翁的想法。

    1932年，肖克利从大学毕业。和他父亲一样，肖克利来到了麻省理

    工学院物理系攻读博士。到麻省理工学院后不久，肖克利就以聪明在物

    理系出名了。不可思议的是，从读大学起，肖克利总是带着手枪到校注

    册，这可能是受到了帕洛·阿托军校的影响。后来在贝尔实验室工作

    时，肖克利常带枪出门，一次在新泽西的高速公路上，他因非法持枪被

    警察带到了警察局，是贝尔实验室出面把他保了出来。

    在麻省理工学院的第一年，肖克利与比他大两岁的大学同学贝莉成

    婚，不久他们有了一个女儿。成家后的肖克利靠奖学金和母亲的资助养

    家，任教同时用功读书。肖克利的博士生导师是菲利普·莫尔斯曾普林斯顿大学(University of Princeton)任教(Philip Morse)。莫尔斯是一

    名出色的物理教授，他有两个学生——肖克利和理查德·费曼，获得了

    诺贝尔物理学奖。

    在莫尔斯的指导下，1936年肖克利取得了博士学位，他的博士论文

    题目是“氯化钠晶体中电子波函数的计算”。肖克利原打算去耶鲁大学任

    教，出发前，莫尔斯推荐他去贝尔实验室。贝尔实验室是美国电话电报

    公司的研发机构，一个有史以来最有名的企业实验室。

    贝尔实验室

    1877年，电话发明人亚历山大·贝尔创建了贝尔电话公司(Bell

    Telephone Company)，贝尔电话公司很快就垄断了电话通信市场。

    1895年，贝尔整合了它在美国的长途电话业务，另建了一家独立公司

    ——美国电话电报公司。从此，ATT垄断了美国的电话业务，进而垄

    断了世界通信行业。1925年，公司的总裁沃尔特·吉福德(Walter

    Gifford)为确保企业未来的发展，收购了西方电子公司的研发部，成立

    了贝尔实验室，投入大量资金，使其成为世界上最优秀的企业研究机

    构。贝尔实验室集基础研究和应用开发于一身。其基础研究注重电子技

    术的基础理论：数学、物理、材料科学和计算机软硬件理论。开发部门

    负责设计公司的电信网络的设备和软件。在总公司的支持下，贝尔实验

    室一度将美国的科技精英一网打尽，其中有11人获得诺贝尔奖，包括华

    人科学家朱棣文和崔琦。朱棣文因发明“激光冷却和俘获原子的方法”获

    得1997年诺贝尔物理学奖；崔琦因对量子物理的杰出贡献，获得1998年

    诺贝尔物理学奖。

    贝尔实验室对高科技领域内的贡献无论怎样评价都不会过分。20世

    纪70年代中期，贝尔实验室每年发表2300篇论文，获得700多个专利，是世界上最大的工业研究机构。射电天文学、晶体管、激光、太阳能、MOS、CCD、移动通信、UNIX操作系统、C和C++语言等理论与技术，均出自贝尔实验室。贝尔实验室产出的成果，绝大多数国家都赶不上。

    2008年，随着人才大量流失以及母公司的亏损，贝尔实验室宣布退出基

    础科学及芯片研究领域。如今，贝尔实验室已很少有人提起。

    1936年的贝尔实验室人才济济、成果丰硕。肖克利在克林顿·戴维

    森(Clinton Davisson)的研究小组工作。戴维森因发现电子衍射现象，获得1936年诺贝尔物理学奖，他是能让肖克利为之折服的人。在戴维森的指导下，肖克利发表了多篇固体物理学论文，并于1938年获得了第一

    个专利——“电子倍增放大器”。1939年，肖克利就构思了一个把导线埋

    入氧化铜的MOS，尽管这一器件从未被制造出来，但这是20世纪60年代

    以后在芯片中广泛被使用的场效应器件的雏形。

    肖克利还碰巧构思了世界上第一个核反应堆。1939年，全世界的物

    理学家的注意力都在核裂变上。贝尔实验室指定肖克利和詹姆斯·费斯

    克(James Fisk)对核裂变作为新能源的可行性做一次调研。贝尔实验

    室给了两人一间小房间。一天，肖克利在家淋浴时，突然想到：“如果

    把两块铀分开，中子就会慢下来，也就是说不会被俘获，这样的话就能

    用其来轰击铀235。”两个月后，两人制作出了世界上第一个核反应堆模

    型。这件事立刻被上报到了华盛顿。美国政府严密封锁了这一成果，连

    美国科学家都不让知道。美国政府用一切手段阻止了肖克利和费克斯申

    请专利。直到二战结束后，曼哈顿计划中的科学家才知道此事，而且他

    们是用同一种想法发明了肖克利和费克斯构思的核反应堆。

    二战期间，肖克利在军队研究部门工作，为盟军的胜利做出了很大

    的贡献。肖克利是洛斯国家阿拉莫斯实验室之外的最高级别的平民参战

    人员，他是少数几个在二战期间能接触到最高军事机密的人。为了表彰

    肖克利在二战期间的贡献，1946年，战争部长罗伯特·帕特森(Robert P

    Patterson)授予了肖克利特殊贡献勋章。

    研发晶体管

    二战后，肖克利回到贝尔实验室。贝尔实验室成立了固体物理研究

    小组，他们要制造一种能替代真空管的半导体器件。肖克利任组长，化

    学家斯坦利·摩根(Stanley Morgan)任副组长，其他成员有物理、化

    学、电子方面的专家，其中包括约翰·巴丁(John Bardeen)、瓦尔特·布

    莱顿(Walter Brattain)、希尔伯特·摩尔(Hilbert Moore)等人。

    巴丁是固体物理专家，理论造诣很高。1928年，他从威斯康星大学

    电机系毕业，然后在海湾石油公司(Gulf Research Lab)做了三年工程

    师，1933年进入普林斯顿大学物理系深造，1936年获物理学博士学位。

    巴丁曾任哈佛大学研究员。二战期间，巴丁在华盛顿海军军械实验室服

    役，1945年加入贝尔实验室。巴丁是唯一的两次诺贝尔物理学奖得主。

    他在普林斯顿大学的导师维格纳(Eugene Wigner)是1963年诺贝尔物

    理学奖得主。布莱顿是一位实验大师。1902年布莱顿出生于中国厦门，1929年于

    明尼苏达大学取得物理学博士学位后，加入贝尔实验室。布莱顿是一位

    高超的实验物理学家。他在贝尔实验室工作到65岁退休。退休后，他回

    到华盛顿州，在母校惠特曼学院教了5年书，才真正退休。

    此前，贝尔实验室就对半导体材料进行了研究，发现掺杂的半导体

    整流性能比真空管好。半导体是一类掺了杂质的晶体材料。这类掺杂后

    的晶体材料，会有整流作用，就是说这类材料只能让电子或空穴一种电

    流通过，不像导体，无论是电子电流还是空穴电流都能通过。因为半导

    体是晶体掺杂，而晶体具有良好的导热性并且很稳定，因此晶体管取代

    真空管是必然的。但只有整流二极管没有放大器，晶体管仍无法和真空

    管竞争。贝尔实验室的肖克利研究小组，是要用锗和硅来制造这一放大

    器件。在肖克利的领导下，他们尝试、失败、再尝试、再失败。1947年

    12月15日，这次巴丁的表面效应理论与布莱顿精湛的实验结出了硕果。

    布莱顿用刀片在三角形金箔上划出了两道极细的缝隙，然后两边分别接

    上导线，用弹簧将其压进锗块表面。这是一个由锗、电池、金线、弹

    簧、纸板组成的小装置。连好线后，当锗块上的两个接触点越来越接近

    时，他们观察到了电压放大作用。

    1947年12月16日，布莱顿在实验笔记上写道：“在锗表面上用点接

    触方法加上两个电极，间隔400微米。此时1.3伏的直流电压，被放大了

    15倍。”布莱顿记下了实验数据，肖克利作为研究小组的领导与见证

    人，在笔记本上签了名。改变历史的晶体管就这样诞生了。

    1947年12月23日下午，布莱顿和摩尔来到实验室。圣诞将至，同事

    都准备放假了。但是，他们还是兴致勃勃地来看两人的半导体放大实

    验。这次布莱顿和摩尔在装置的一端连一个麦克风，另一端接了一副耳

    机。摩尔与布莱顿用麦克风讲话，其他人用耳机收听，他们听到了被放

    大了18倍的声音。这一天被认为是晶体三极管的诞生日。这是人类史上

    第一次不需要用真空管就能将声音放大的装置，晶体管的发明印证了著

    名风险投资人阿瑟·洛克(Arthur Rock)的名言：“任何重大的科技进

    步，都和奇迹联系在一起。”图5-1为贝尔实验室发明的第一只晶体三极

    管。图5-1 贝尔实验室发明的第一只晶体三极管

    几个月后，晶体管被正式命名，晶体管(Transistor)由传导

    (Transfer)和电阻(Resistor)两个词合成。几年后，人们发现，硅比

    锗更适合于生产晶体管。于是，硅就替代了锗，北加利福尼亚州也因此

    被称为“硅谷”而不是“锗谷”。

    在发明晶体三极管的过程中，贝尔实验室一共有12个人的名字被直

    接提到。

    在贝尔实验室着手为这项划时代的发明申请专利时，他们发现晶体

    管诞生的那一刻肖克利不在场；专利代理律师发现，肖克利关于晶体管的场效应理论，与此前一项已生效的结型MOS专利冲突，尽管那项专利

    无法做成产品。因此在申请专利时，肖克利的名字不在专利申请书上。

    这次肖克利很生气，晶体管的诞生基于肖克利的场效应理论，整个研究

    过程肖克利也直接参与了，但发明专利申请书上竟然没有他的名字。

    肖克利是天资聪明、勤奋工作的天才。他知道点接触晶体三极管

    (Point Contact Transistor)效率不高，利用扩散技术能做出更好的晶体

    管。经过一个月的独自秘密钻研后，肖克利提出了更为先进可行的结型

    晶体管(Junction Transistor)构想，那是1948年1月23日。1950年，肖克

    利的研究小组制成了第一只结型晶体管，结型晶体管使后来的晶体管和

    芯片的大规模生产成为可能。1950年11月，肖克利发表了论述半导体器

    件原理的经典著作《半导体中的电子和空穴》，从理论上详细阐述了结

    型晶体管原理。肖克利以自己的努力，向世界证明了他是真正的晶体管

    之父，同时也证明了他的科研天赋。肖克利懂得如何找到问题的根源，他能通过简练的文字及口头表述，把科研工作带到一个新的、正确的方

    向。

    肖克利是最了解这个发明的未来发展空间的人，他对晶体管在电子

    工业的应用比贝尔实验室的其他人知道的多得多。肖克利很少在演说中

    提到晶体管的研制过程，还表示自己不是晶体管发明人，无法做出很好

    的说明，但肖克利是当时对晶体管发展空间看得最清楚的人。1949年，他在通用电气公司的科学论坛广播节目中说：“我认为晶体管可以应用

    到电脑上，它将是这些装置的理想基本元器件。”

    第一个晶体管的专利是结型MOS，美国人利菲尔德(Julius Edgar

    Lilienfeld)于1925年获得了专利。1948年2月26日，巴丁和布莱顿为他

    们发明的晶体三极管申请了专利；同一天，肖克利也向美国专利局递交

    了结型三极管的专利。图5-2为利菲尔德。图5-2 利菲尔德

    肖克利时代的电脑，体积巨大。宾夕法尼亚大学1946年组装的

    ENIAC是第一台能从事较大运算量的电脑。该电脑主要应用在军事和政

    府事务上。这是一台30吨重的怪物，运算时耗电15万瓦，1.8万个真空

    管完全由电线连接。1949年，有杂志这样预言电脑的未来：“未来的电

    脑可能只需1000个真空管，半吨重。”这个预测完全没有了解了晶体管

    和它的潜力。

    三极管主要有两大功能：放大与开关。晶体三极管因其材料是晶

    体，因此在实现大功率放大时，不需要预热，产生的热量也很小。如果

    要实现同样的功能，晶体管消耗的功率是真空管的百万分之一。作为开

    关，晶体管比真空管的速度更快、体积更小，这为电脑的微型化奠定了

    基础。晶体管的发明将引发电信和电脑等各个方面的革命。

    晶体管利用电子在晶体内的流动性来控制、放大并交换信号。这为

    晶体管制造体积小的设备增加了可靠性。家用电器、电脑、电话交换设

    备、火箭和卫星因为晶体管的应用有了新突破。晶体管原意为传输电阻

    器件，是当时贝尔实验室的一位工程师取的名字，真空管易碎、易热、短命，该工程师说过“大自然憎恨真空管”。晶体三极管的工作原理很简

    单，只要在三极中的发射极上加上直流电压，再在基极上注入要被放大

    的电流信号，集电极就会产生被线性放大了的信号。现代最快最好的晶

    体管的放大倍数能达到几百到一千。06 晶体管时代的到来

    早期的晶体管：20世纪四五十年代

    1948年6月30日，贝尔实验室发布了点接触晶体管。拉尔夫·邦

    (Ralph Bown)博士演示了点接触晶体管，并指出了它的应用前景。图

    6-1是两种最初的晶体管结构。

    图6-1 两种最初的晶体管结构

    在晶体管发明后的几年里，贝尔实验室大力推广晶体管的制造技

    术。不久，很多公司就能批量生产晶体管了，使用晶体管的小型电器，如助听器、收音机等也问世了。1953年，美国共生产了100万个晶体

    管。1954～1956年，美国市场上共销售了1700万个锗晶体管和1100万个

    硅晶体管，总价值为5500万美元。通用电气公司、RCA、TI、ATT和

    雷神公司是晶体管的大用户。因成本及生产工艺的原因，晶体管尚未得

    到普及，同期真空管销售了13亿个，市场份额超过10亿美元。

    1957年，晶体管的年产量已达2900万个。此时，晶体管的种类和工

    艺都有了长足的进步。贝尔实验室的点接触和结型晶体三极管是最常见

    的。它们的型号为2××等。金属结型和表面势垒型晶体管也在20世纪50

    年代诞生了。由通用电气和RCA研发的金属结型晶体管比起点接触和结型晶体管有很多优点，尤其是在生产工艺和性能上均好过上述两种晶体

    管。

    1953年2月，雷神公司研发出了第一款可以量产的结型锗管

    CK703。结型锗管在1953年是每个20美元，到了1955年就降到了每个1

    美元。雷神公司的CK722结型锗管是最成功的结型锗管，也是半导体收

    音机业余爱好者的最爱。雷神公司一直到1969年还在生产CK722结型锗

    管。

    在贝尔实验室之后，第二个获得晶体管专利的公司是RCA。RCA成

    功地研制出了硅管，这让它在晶体管市场中大显身手。RCA还研发出了

    第一个实用的MOS管，20世纪六七十年代，RCA是MOS芯片的主要生

    产厂家。

    1955年，第一支以扩散工艺制造的晶体管在贝尔实验室问世。1956

    年，西方电气公司开始量产扩散工艺制造的晶体管。此后，扩散工艺成

    了晶体管和芯片制造的核心工艺。

    1957年，日本索尼的工程师江崎(Leo Esaki)发明了隧道二极管，江崎因此获得了1973年度的诺贝尔物理学奖。不久，美国通用电气公司

    就成了隧道二极管的最大生产商。

    1958年，摩托罗拉发布了以扩散工艺制造的高频锗管，让摩托罗拉

    在高频晶体管的应用领域里占到了先机。

    1954年圣诞节，晶体管收音机问世。晶体管收音机体积小，使用电

    池即可。这台收音机售价为49.95美元。第一年，这台收音机就卖了10

    万多台。不久，日本的东京通信工业公司用晶体管技术称霸了电视机和

    收音机市场，它就是索尼公司的前身。这一切仅仅是开始。晶体管是数

    码时代的技术基础，是所有电子产品的细胞，现代电脑芯片上有上亿个

    晶体管。晶体管的发明促成了苹果电脑、英特尔、微软和谷歌的诞生。

    没有晶体管就没有今天的高科技。

    20世纪50年代，在一次晶体管的展示会上，真空管放大器的发明人

    福雷斯特第一次见到了晶体管，他知道真空管在经过42年的辉煌岁月

    后，将正式退出历史舞台。

    德州仪器的硅晶体管世界上第一个可以量产的硅管是由德州仪器于1954年11月发布的，这是半导体工业进程中的里程碑，德州仪器的这一款结型硅管具有很多

    锗管不具备的特性。例如，耐高温、散热性好等硅晶体的特性。德州仪

    器成为美国最重要的硅管生产厂家，为美国的军事和航天事业提供了大

    量的高质量的硅管。

    早在1951年，德州仪器的工程师就知道了硅管要比锗管好得多。一

    位曾在贝尔实验室工作过的工程师戈登·提尔(Gordon Teal)加盟了德

    州仪器，他对硅的前途充满信心。

    提尔很快就成了德州仪器的半导体事业的研发主管，他说服了在标

    准石油公司工作的布朗大学校友物理化学博士威利斯·阿德科克(Willis

    Adcock)加盟德州仪器，阿德科克于1953年加盟德州仪器。同年4月毕

    业于加州理工学院的莫特·琼斯(Mort Jones)也加盟了德州仪器。另外

    两位德州仪器的工程师，杰伊·桑希尔(Jay Thornhill)和艾德·杰克逊

    (Ed Jackson)也加入了提尔的半导体研发小组。

    由左至右分别是阿德科克、琼斯、杰克逊、桑希尔(1954年)

    当时业界虽然知道硅的优点，但是硅工艺相对要复杂得多。大多数

    人认为，以当时的硅工艺，研发硅管为时尚早。但是德州仪器的工程师

    则认为他们有能力在研发硅工艺的同时，研发硅器件。提尔把制造实用硅晶体的任务交给了鲍耶·科尼利逊(Boyd

    Cornelison)。科尼利逊设计了德州仪器的锗晶体制造工艺，提尔让科

    尼利逊改造提尔在贝尔实验室发明的锗晶体制造工艺，把硅提纯工艺温

    度提高到1400摄氏度。提尔研发小组的其他成员则把注意力放在了硅晶

    体切割和电极接触上。

    1953年夏天之前，提尔小组成员夜以继日地工作。他们的目标是生

    产结型硅管所必需的纯硅晶体。1400摄氏度的硅提纯工艺似乎超出了当

    时的晶体提纯的工业规范，尤其是在温度和时间控制上，其难度极高。

    但是，在阿德科克的努力下，他们制造出的硅晶体，一炉好过一炉，同

    时，掺杂工艺也越来越成熟。他们在探索的隧道中，渐渐地看到了光

    明。

    1954年3月12日，阿德科克向提尔提交了一份报告，称结型硅管即

    将制成。一个月后，用来自杜邦公司的纯硅，提尔的研发小组制成了第

    一个NPN型的硅管。

    同年4月14日，他们最后把电极引线加了上去。提尔立刻给公司

    CEO佩特·海基迪(Pat Haggerty)打了电话，让他来见证硅管工作的一

    刻。海基迪后来回忆道：“我有幸和德州仪器的同事们，一起见证了第

    一个硅管的工作状态。”

    提尔的研发小组获得了巨大的成功。后来，阿德科克回忆道：“硅

    管的研制成功主要是因为我们中没人知道，这件事有多难。这是德州仪

    器历史上的关键时刻，从此，德州仪器站到了半导体工业的制高点。”

    1954年5月10日，提尔在电气和电子工程师协会(Institute of

    Electrical and Electronics Engineers，IEEE)的前身无线电工程师学会

    (Institute of Radio Engineers)年会上发言，发言的题目为“硅和锗材料

    与器件的最新发展”。在去俄亥俄州的戴顿市参加会议的前几天，提尔

    和海基迪决定发布德州仪器硅管的研发成功以及德州仪器的硅管已经投

    入量产的消息。此时，德州仪器已经制造出了150个硅管。德州仪器给

    自己生产的硅管的编号为903、904和905。美国邮政局发行的第一个硅管的纪念邮票

    提尔后来回忆道，在他发言之前，很多与会人员上台来和他讨论硅

    管的制造工艺。他们一直认为，几年内硅管是不会成功的，所以他们认

    为工业界应该继续使用锗管。只有德州仪器的工程师认为没有必要再使

    用锗管，因为他们的口袋里有了硅管。

    提尔开始做报告了，在最初的24页幻灯片(共31页)上，他没有提

    到德州仪器的硅管。听众在听了一天的报告后，开始不耐烦了。在提尔

    的报告快要结束的时候他说：“和你们听到的想法相反，事实上德州仪

    器已经研发出来硅管了，并且开始批量生产。”在场的听众一时没有反

    应过来，现场一片寂静。很快，几个最初反应过来的听众嚷道：“你是

    说，你们研发出了硅管，并且已经量产了？”提尔大声回答道：“是的!

    我们有三种不同的硅管在生产线上。我的口袋里就有几个。”

    过了一会，提尔打开了RCA的45转电唱机，电唱机播出了一首流行

    歌曲。提尔把电唱机放进了热油锅里，电唱机瞬间停了下来，锗管放大器不工作了。提尔把放大器换成了硅管放大器后，再次把它浸入热油锅

    里，大厅里仍然有声音。提尔后来回忆道，他听到了一个与会者在付费

    电话里大声喊道，他们在德克萨斯做出了硅管。提尔在发言后换了一件

    衣服，上面写着：硅的时代来临了。在这次年会上，德州仪器成了大热

    门。

    在以后的年月里，德州仪器的硅管从质量和数量上看都是业界之

    最。从此，德州仪器不再是一个有着远大目标的小公司了，德州仪器成

    了半导体工业的领跑者。

    1954年5月6日，莫特·琼斯画的一张结型硅管的设计草图

    晶体管收音机的诞生

    早在1953年夏天，德州仪器的CEO海基迪就预感到德州仪器的未来

    在半导体产业中，这是通向未来的全新产业。当时，德州仪器已经开始

    生产锗三极管，但市场反应并不好。当时的电子设备还是真空管的天下，晶体三极管只有很少的应用。在这种市场前景下，海基迪决定德州

    仪器要以生产半导体器件作为其今后的主营业务，并以此在一个全新的

    产业中占据主导地位，这在当时极具前瞻性。

    海基迪先将注意力放在了IBM身上，他认为计算机的领导者IBM将

    会是晶体三极管的大用户。但是，IBM没怎么听说过德州仪器。海基迪

    决定用一台德州仪器能提供的小小的晶体管收音机让IBM和整个电子工

    业认识到晶体三极管的重要性。

    海基迪把量产锗三极管的任务交给了德州仪器的生产部门。不久，他们就发展出了一整套量产锗三极管的方法。研发小组的琼斯说，他们

    弄出了一个制造锗管的“大锅”。

    1954年，海基迪提议收音机生产厂家以晶体管来制造小型收音机，但当时的大多数收音机厂家认为晶体管还没达到制造收音机的要求，而

    真空管既便宜又可靠。

    海基迪并未就此放弃他的想法。不久，一家芝加哥的投资公司建议

    德州仪器和一家位于印第安纳波利斯的小型电子设备公司工业工程发展

    公司(Industrial Development Engineering Associatges，IDEA)进行合

    并。这是一家生产电视机配件的小公司，它的产品以Regency为名。海

    基迪对该提议很感兴趣，他认为这是德州仪器进入低成本收音机市场的

    好机会。

    公司合并后的某个星期五的下午，海基迪把德州仪器的工程师保罗

    ·戴维斯叫到了办公室，要求保罗设计一款切片面包大小的收音机，并

    让戴维斯在德州仪器随意挑选工程师组成设计团队。

    戴维斯立刻答应了，但是海基迪又说，我要你在下个星期三之前就

    完成样品。因为下个星期三，海基迪要和雷晋公司(Regency)的团队

    会面，海基迪要用晶体管收音机作为筹码对方谈判。最初的晶体管半导体收音机Regency TR-1

    戴维斯后来回忆道，在其他公司里，这个设计通常需要一年。当时

    德州仪器的工程师不但不知道怎样设计晶体管收音机，甚至连晶体管的

    工作原理都不知道，但是我们只有四天时间。

    罗杰·韦伯斯特(Roger Webster)，一位当时代表最高水平的晶体

    管电路设计工程师答应戴维斯设计收音机中最难的部分——中高频放大

    器。两天后，韦伯斯特就拿出了样品，一个放大倍数为几千的中高频放

    大器。

    戴维斯的团队中有硅管研发团队的人员、经验丰富的电路设计人

    员，以及刚从大学毕业的新手。尽管这是一个不可能完成的任务，但这

    也是一个极佳的机会，一个人生中难得的机会。

    星期二下午，戴维斯的团队带着那个已经工作的收音机来到了海基迪的办公室。戴维斯把它调到了中波广播电台，海基迪听到了清晰的电

    台广播。海基迪非常高兴，戴维斯的团队在四天内创造了奇迹。

    海基迪决定在1954年10月中旬发布这款革命性的产品。他们最后把

    价格定在了50美元。德州仪器向IDEA派去了晶体管收音机设计团队的

    主要成员。6月中旬，团队设计出了一款6管收音机。海基迪认为6个晶

    体管太多了，要求必须少于5管。团队很快就用一个二极管取代了一个

    三极管，于是5管收音机被设计出来了。但是，海基迪又要求他们再减

    少一个晶体管，团队人员费尽心思直到8月30日才最后做好这一款4个晶

    体管的收音机。

    1954年10月18日，Regency TR-1晶体管收音机面世。官方宣传是这

    样的：这是一台最小的用半导体器件制成的收音机。它可以放在口袋

    里，它不会像真空管收音机那样发热，也不会像真空管那样易碎。它有

    高品质的音质和很高的音量，且只需一节电池即可。

    这是一款革命性的产品。很快，这款收音机就成为美国年轻人的时

    尚。但是，海基迪犯了一个致命的错误，他给这款收音机的定价太低

    了，其合理的价格应该是65美元而不是49.95美元。Regency TR-1晶体管

    收音机没有给德州仪器带来很大的收益。但是，正是这款革命性的收音

    机把晶体管这一革命性的电子器件带进了我们的日常生活，让普通人也

    感受到了一场工业革命的到来。

    晶体管博士生产线的诞生

    20世纪50年代中期，高纯硅的工业提炼技术已成熟，肖克利很清

    楚，真空管很快会被淘汰，未来属于晶体管。肖克利决心离开贝尔实验

    室，回加利福尼亚州创业。1955年，肖克利在给将成为他第二任妻子的

    女友的信中这样写道：“很明显，我比其他人更聪明、更热心工作，也

    比大部分人了解人类。”在这三件事中，他只说对了两件。

    听说肖克利要回加利福尼亚州创业，斯坦福大学工学院院长特曼

    (Fredrick Terman)坐不住了，特曼立即写信给肖克利，向他介绍圣克

    拉拉的好处，还告诉他斯坦福大学已经把肖克利的半导体理论写进了教

    材，开始向学生讲授这方面的知识了，这是肖克利公司的人才来源。特

    曼甚至找到了北加利福尼亚州最好的房地产经纪人，给肖克利推荐当地

    的房地产。肖克利年迈的母亲也住在帕洛·阿托，父亲在他15岁那年去世后，母亲一人支撑着这个家，才使他有了今天的成就。但最重要的是

    北加利福尼亚州以斯坦福为中心的圣克拉拉地区，在电子工业方面的深

    厚底蕴和历史渊源。以真空管的诞生为标志的电子时代，就是从这里开

    始的。这一切，让肖克利选择了北加利福尼亚州作为他创业基地。

    特曼教授

    真空管为广播、通信、电视和电脑的发展铺平了道路，世界从此进

    入了电子时代。真空管的缺点很多，比如体积大、功耗大、寿命短、效

    率低等，这些缺点制约了电子技术的进步。工业界急需真空管的替代

    品。发明了晶体管的肖克利知道，晶体管是真空管的终结者，肖克利相

    信他本人就是那个终结真空管时代的人。肖克利决心在真空管的诞生

    地，终结真空管时代。此时的肖克利踌躇满志，未来一片光明，他有知

    识、有能力、有决心，就是没钱。肖克利花了一个夏天，去游说德州仪

    器、洛克菲勒、雷神等公司投资50万美元给他建厂生产晶体管，但这些

    公司要么打算自己生产，要么就不愿冒险。最后，肖克利在加州理工学

    院读书时的好友，化学教授阿尔诺德·贝克曼(Arnold Beckman)，决定

    为肖克利投资。图6-2 三极管工作原理示意图

    1935年，贝克曼教授创立了贝克曼仪器公司，生产PH测定仪。肖

    克利找上门时，公司营业额达2100多万美元，员工有2000多人。贝克曼

    很看好晶体管的前景，他出了30万美元作为首期投入，由肖克利全权负

    责，建立晶体管研发部。作为晶体管研发部总裁，肖克利的年薪为3万

    美元，还拥有4000股贝克曼公司的股权。贝克曼想把新公司设在公司总

    部附近的洛杉矶地区，肖克利则要设在圣克拉拉。僵持之际，特曼教授

    出面了。特曼的热诚及影响力，打动了贝克曼，坚定了肖克利的信心。

    肖克利半导体实验室(Shockley Semiconductor Laboratory of Beckman

    Instruments)最终落户圣克拉拉，位于帕洛·阿托与山景城的接壤处，离

    斯坦福大学有五英里 [1]。肖克利的到来，不仅把硅带进了硅谷，还标

    志着电子产业新时代的到来。北美西海岸的加利福尼亚州，是美国本土

    最晚迎来朝阳的地方，但第三次工业革命的朝阳却在此冉冉升起。

    1956年年初，肖克利半导体实验室成立，生产晶体管。公司总部设

    在圣安东尼奥街391号。肖克利万事俱备，只缺人才。肖克利极具识人

    的慧眼，当年在贝尔实验室就是，这次也不例外。他先想到的是贝尔实

    验室的同事，但他们深知肖克利的为人，因此都不愿意来。肖克利又将

    眼光转向了名牌大学毕业生。

    肖克利将招聘广告以代码的形式登在学术期刊上，一般人看不懂。

    面试前，肖克利要求应聘者测试智商及创造力，还要做心理评估，如果

    不过关就不面试。他对参加半导体专业会议的发言人和论文作者都很在意，因为这样可以让他了解半导体业界的优秀人才。肖克利的做法很过

    分，但他挑选出的人，无论是理论还是实验方面的物理学家、化学家、工程师，都是行业精英。肖克利说他要建一条博士生产线，他做到了。

    这些风华正茂的年轻人来到北加利福尼亚州，是因为肖克利的名

    望。他们相信跟着“晶体管之父”，就会干出一番事业。但事与愿违，公

    司初创时，肖克利做出了两个英明的决定：研发硅管，而不是锗管；二

    是用扩散法掺杂，生长出P型区和N型区。当时的晶体管中，大多是耐

    热性及稳定性差的锗管，只有德州仪器推出了硅管，但很不成熟。肖克

    利认为他们很快就会超过德州仪器，只要能推出成熟、稳定的硅管，就

    能占得先机，拿下市场。用扩散法掺杂工艺生产的晶体管比当时用其他

    工艺生产的速度更快、性能更稳定。要是他们能做到这两件事，公司就

    能在产品的速度上和质量上优于对手。但正当公司上下一心朝这两个方

    向努力时，肖克利别出心裁地认为价格才是取胜的关键，于是他要求公

    司研制成本在五美分以下的晶体管，从而占领市场。这是不可能完成的

    目标，一直到20世纪80年代，晶体管的价格才降到这个水平。这个不切

    实际的计划很快就流产了。肖克利没有回到过去的那两个可行的目标，而是不再理会硅管，他要研制一款里程碑式的新产品——由4层半导体

    材料构成的肖克利二极管。这次肖克利不依靠其他人，要自己动手。公

    司里没有人知道他在干什么，也没人知道公司要干什么。经营目标一变

    再变，决策优柔寡断，以个人喜好而不是经营产品的角度去开展业务，公司成立一年多后，没有生产出一件产品。员工对肖克利失望了。

    肖克利从不认为问题出在他身上。1956年年底，肖克利获知他与巴

    丁、布莱顿一起荣获诺贝尔物理学奖，这一天肖克利和公司的全体员工

    一起举行了一个香槟早餐会。掌声与鲜花使肖克利极度膨胀，变得唯我

    独尊、傲慢专横容得半点不同意见。肖克利与贝克曼开会研究如何控制

    日益增长的科研成本时，他大发脾气说，如果贝克曼不喜欢自己的管理

    方式，就一拍两散。偏执多疑的肖克利经常小题大做，一次，一位女秘

    书在实验室里划破了手，肖克利认定有人在蓄意破坏，为此对全体员工

    用测谎仪进行了测谎。有名的“叛逆八人帮”中的尤金·克莱纳(Eugene

    Kleiner)说：“我真的不敢相信这件事，我们希望诺贝尔奖能够表示肖

    克利还没变疯。”肖克利半导体实验室所在地的纪念铭牌

    更严重的是，贝尔实验室有长期计划和人力资源来支持研究计划，但在肖克利的半导体实验室，这些工作完全处于真空状态。

    大多数硅谷公司在创业初期都得益于合伙人之间的精诚合作，像惠

    普的普克和惠烈、微软的盖茨和艾伦、苹果的乔布斯与沃兹涅克、英特

    尔的诺伊斯、摩尔和格鲁夫等。在公司初创阶段，由于没有参与决策的

    董事会，没有职业经理人，没有提供专业意见的律师、财务顾问，因此

    合伙人的专长互补、民主决策、共同进退极为重要。但肖克利对员工极

    不信任。他公开称，每十个人里就有一个精神病人，因此公司里至少有

    两个精神病人。他对员工越来越不信任，甚至要求他们去接受心理测试

    和测谎，只要提出不同意见，就被他认为是精神有问题。如果说肖克利

    公司里有精神病人，那么第一个被怀疑的应该是他自己。虽然他是物理

    天才，但却是一个管理白痴，他曾想把所有员工的工资都公开，这种做

    法让工资高的、工资低的员工全都不满。当工程师把成功的结果给他看

    的时候，肖克利让他们站在边上，当着他们的面给贝尔实验室打电话求证结果的正确性。他的这种行为，是几个街口外的惠普公司绝对不会做

    的。肖克利处理其他事务的能力也很差，惠普的CEO普克说过：“真不

    敢相信，肖克利有一次会问我如何雇一个秘书和买文具的事。”

    关门大吉

    肖克利的公司成立的两年时间里，只推出了一种具有整流作用的晶

    体二极管，而不是有放大作用的晶体三极管。八个技术骨干：罗伯特·

    诺伊斯、戈登·摩尔、金·霍尼(Jean Hoerni)、朱利亚斯·布兰克(Julius

    Blank)、尤金·克莱纳、杰·拉斯特(Jay Last)、谢尔顿·罗伯茨

    (Sheldon Roberts)和维克多·格林尼许(Victor Grinnich)离开了公

    司，与纽约银行家阿瑟·洛克准备自建公司，生产硅晶体管。

    肖克利和同事们在诺贝尔奖庆功酒会上1957年9月18日，由这些年轻人组建的仙童半导体公司(简称仙

    童)成立，这个日子后来被《纽约时报》评为美国历史上最重要的十天

    之一。八个年轻人向肖克利辞职，肖克利大怒，称他们为“叛逆八人

    帮”。在肖克利眼里，他们不只是辞职，也是学生背叛老师。加入公司

    前，除了诺伊斯有晶体管研发经验外，其他人都是在他的指导下，才有

    今天。他们竟要自立公司，与自己对着干，这是地地道道的忘恩负义。

    以肖克利的性格是不会去检讨他们这样做的原因的。

    只用短短五年，肖克利的晶体管之父和诺贝尔奖得主的光环就退去

    了，他的梦想也随之破灭。这位世界知名的科学家把硅带进了硅谷，但

    自己却不再属于硅谷。然而斯坦福大学的特曼教授没有忘记他，特曼知

    道北加利福尼亚州的硅谷之火是肖克利点燃的，虽然肖克利出局了，但

    是他的知识和能力不会因此而减，他把肖克利请到斯坦福大学任教。

    1963年，肖克利受聘成为斯坦福大学的教授。1965年，贝尔实验室又请

    肖克利出任实验室的顾问，一直工作到1975年2月，同年9月，肖克利从

    斯坦福大学退休。

    今天，所有从事高科技的人都应感谢贝尔实验室和肖克利。肖克利

    是名副其实的晶体管之父，是他把硅和晶体管带到了北加利福尼亚州，使北加利福尼亚州有了一个响亮的名字——硅谷。肖克利的失败也同样

    重要，这个失败，造就了“叛逆八人帮”，让现代固体电子技术从实验室

    走了出来。几年后，诺伊斯和“叛逆八人帮”因此发明了芯片，经由这几

    个人创建的上百家芯片公司，改变了整个世界。肖克利用硅为今天芯片

    的产生奠定了基础，也为高科技人才的创业精神奠定了基础。尽管肖克

    利创业失败，但对诺伊斯和叛逆八人帮而言，肖克利是对他们影响至深

    的老师。他们在肖克利身上不仅学到了半导体专业知识，同样也从反面

    学到了肖克利企业管理的失败教训。没有肖克利，就不会有仙童，就不

    会有英特尔。成就了他人的肖克利却因为他那不可思议的性格饱尝了失

    败的苦果。肖克利发明了晶体三极管，创办了首家晶体三极管生产企

    业，他以自己惨痛的代价为高科技带来繁荣，尽管肖克利未能享受到这

    些繁荣所创造的红利，但他不仅为今天的芯片打下了基础，也为如今的

    高科技行业带来了智慧。肖利克无愧为晶体管之父和硅谷共同奠基人的

    称号。晶体管的演进

    [1] 1英里=1609.344米。07 芯片概念的形成

    科技进步总是由一连串梦想推动的，芯片也不例外。有了固态电子

    器件晶体管之后，芯片的出现是迟早的事。常用的电路一般由五种器件

    组成：具有放大和开关作用的晶体三极管、具有整流作用的晶体二极

    管、电阻、电容和电感。电阻、电容和电感，人们在20世纪之前就很熟

    悉了；晶体二极管早在19世纪下半叶，人们就会制造了；到了1948年，贝尔实验室的肖克利、巴丁和布莱顿发明了晶体三极管。于是，如何把

    这些器件组装在一起，再按电路功能连接起来，就是一件重要的事情

    了。

    CPU的芯片布线图

    早期的芯片概念

    最早的芯片(Integrated Circuit IC)概念是由一位名叫威尔纳·雅可

    比(Werner Jacobi)的德国工程师提出来的。他在1949年申请了一个制造在一块半导体材料上的芯片的专利。雅可比的芯片是由五个三极管和

    三级电路组成的放大器。雅可比还意识到了他的芯片是可以缩微的。雅

    可比关于芯片的想法在当时并未被重视。

    20世纪50年代的美国、英国和很多欧洲国家都在试图把各种电子器

    件组装在一起，或者说同时组装各种电子器件，并按其电路设计连接起

    来。当时最先进的电路制作是把各种不同材料的薄膜印在陶瓷上，再在

    上面插入真空管，目的是将电子线路小型化，并以此来制造助听器、无

    线电收音机和电视。

    制作一个电路，需要一些标准电子器件——电阻、电容、电感、二

    极管、三极管等，每个电子器件都有其特殊功能。电阻，它的功能就像

    是一个水龙头，能限制电子的流动，这就让电路设计人员能在电路中的

    任何一点精准地控制电子的流动，如电视的音量控制。电容就像一块海

    绵，它可吸收、储存并释放电能。照相机中的电容在充电后，可以让闪

    光灯在极短的瞬间释放出巨大的光能。二极管像是一个水坝，可以阻止

    电流在某些条件下的流动。三极管就像是一个开关，能够控制数字电路

    中电路的开关。三极管也是一个放大器，把特定的信号放大到预想的程

    度。电路设计，就是将这些电子器件以某种方式连接起来，达到某种或

    多种功能。

    在真空管时代，电路设计人员有很多技术上的限制，主要是功率、发热和尺寸上的限制。当晶体三极管出现后，这些限制就不再是问题

    了。这时，电子器件在电路中的数量不再是问题，真正的问题是怎样把

    这些电子器件有效地连接起来。在芯片出现之前，连接这些器件的工作

    几乎全部依赖于手工，它要求操作人员用金属线在显微镜下，把每个器

    件焊接起来。电路的成品率完全取决于操作人员的准确性。

    20世纪50年代，电子工业面临着巨大的挑战。美国海军的最新航空

    母舰上有350 000个电子设备，需要上千万个焊接点。为了保障电子设

    备的精确性和可靠性，对人工焊接的要求非常高。第二代计算机——

    Control Data CDC 1604，需要25 000个三极管，10 000个二极管，几十

    万个电阻和电容。对于该计算机的生产厂家来说，量产该计算机几乎是

    不可能的。巨无霸式的早期真空管计算机——Control Data CDC 1604

    当时的贝尔实验室副总裁莫顿(J.A.Morton)说：“不远的将来。我

    们的电子设备将会是数字电子设备，它将能处理各种各样的信息。但

    是，目前制造这样设备需要大量的电子器件。这种复杂的、功能巨大的

    电子设备需要上亿个不同的电子器件。每个电子器件必须被制造、测

    试、封装在一起，并以一个整体被测试和使用。这种数字系统的复杂性

    将是我们迈向未来的障碍。”

    20世纪50年代初，尽管晶体管工艺还很粗糙，但只要对当时流行的

    晶体管工艺进行深入思考，把已有的工艺整合起来，就有可能制造出新

    型的固体电子电路，即芯片。这是很多人都能想到的办法，但没人能找

    出一种工艺来实现它。

    20世纪50年代，美国的陆、海、空军在新型固体电路研发上投入了

    大量的人力物力，但并未有重大进展，如德州仪器的CEO佩特·海基迪

    所言：“大多数解决电路复杂度的方案，最后反而增加了电路的复杂

    度。”各种努力都是为了解决巨大数量的电子器件的问题。人们很快就意

    识到了只有微型化(Miniaturization)这一条路行得通。只有把单个电

    子器件做的小到一定程度，才能增加整个电子设备的性能，并将能耗保

    持在一定程度上。这在军事上极为重要，军用无线电、雷达声纳系统都

    需要小型化才能用于导弹和潜艇，最初尝试电子器件小型化的是美国海

    军。不过民用电子设备也需要电子器件的小型化，如电子计算机。

    尽管有了晶体三极管，而且它的尺寸可以做得很小，但是要以这些

    分立器件制造一个电路还需要很多人工焊接。除了制作的繁杂之外，连

    线的长度也限制了信号的传播速度。过于复杂的电路的可靠性也是有待

    解决的问题。为了提高电路的可靠性，设计人员试图用备用电路来加强

    可靠性，但是这又增加了电路的复杂性。

    当时的人们已经认识到了数字电路的重要性。计算器、电子计算

    机、电子钟等数字电子设备能将极为复杂的运算和操作简化为0和1的逻

    辑运算。这些数字电子设备对制造它们的电子器件有一个要求，就是速

    度。只有小型化才能解决这一系列问题，小型化将是电子设备的未来。

    而实现这些简单的逻辑运算最基础的电子器件是晶体三极管，如何把大

    量晶体三极管集成在一小块电路上成为当时电子设备生产的瓶颈。

    芯片的发明人之一罗伯特·诺伊斯说过，其实计算机只是对生物现

    象的简单模仿，但是用计算机实现那些生物现象的时间要短得多。

    为了加快电路的速度，当时有两个解决方案：一是加快电子设备中

    的电子器件间的信号传播速度；二是把电路做小。电子信号传播速度的

    上限是光速，于是最可行的方法是把电路做小。在当时的技术条件下，把电路做小就会降低电子设备的功能。这是相互矛盾的。

    诺伊斯把这些矛盾归结为，电路的尺寸限制了计算速度、设备的复

    杂性和功能。基尔比也说过，电路的成本和尺寸限制了电路中的晶体管

    数目。

    这是现代电子技术史上的一个关键时期。当时的现代物理学和化

    学，已经为芯片技术打好基础。正如著名物理学家费曼(Richard

    Feyman)说过的那样，科学家的工作是为了更好地理解世界，而工程

    师的工作则是为了改造世界。科学家已经在20世纪上半叶为这些改造世

    界的工程师准备好了科学理论。20世纪50年代，全世界的电子工程师都在思考如何把大量电子器件

    集成在一小块电路上。

    第一个实用的芯片概念

    1952年5月7日，英国皇家雷达研究所(Royal Radar Establishment)

    的杰夫·达默(Geoff Dummer)，在美国华盛顿的一次会议上，第一个

    提出了芯片的概念：把一个电路所需的晶体管和其他器件制作在一块半

    导体上。达默的原话是这样的：“伴随半导体晶体管的进展，把电子设

    备所需的固体电路制作在一起无须连线已成为可能。这一固体电路由绝

    缘、导电、整流、放大材料组成，电路的功能则由如何连接这些具有特

    定功能的材料而产生。”虽然他未能在实验室里制造出这样的电路，但

    达默仍然准确地预言了芯片的到来。

    杰夫·达默杰夫·达默的芯片上的放大器概念模型

    1952年5月，西德尼·达林顿(Sidney Darlington)向美国专利局提交

    了一个由三个晶体三极管组成的电路专利。

    1952年10月，伯纳德·奥利弗(Bernard Oliver)向美国专利局提交

    了一个在一块半导体晶体上制造三个晶体三极管的工艺专利。

    1953年5月21日，RCA的哈维克·约翰逊(Harwick Johnson)向美国

    专利局提交了一个专利申请。他的专利是一个把晶体三极管、电阻、电

    容制作在一块半导体晶体上的方法。虽然约翰逊提出了三种制造单个晶

    体管振荡器的方案，但是他未能提出有效的制作工艺(见图7-1)。图7-1 约翰逊的芯片

    此时，芯片的发明已经是箭在弦上了。08 芯片工艺：贝尔实验室奠定的半导体工艺基础

    贝尔实验室发明了晶体管之后，所做的另一件十分有意义的事是推

    广晶体管。贝尔实验室以十分便宜的价格收取专利费(25 000美元)，同时还负责培训技术人员。在贝尔实验室的努力下，1952年全美国已经

    有40家公司从贝尔实验室获得了晶体三极管的生产许可，其中有通用电

    气、RCA、德州仪器和索尼。

    这一时期，晶体管计算机有了很大的进展。美国空军于1954年制造

    了晶体管计算机TRADIC(Transistor Digital Commputer)。TRADIC用

    了700多个点接触晶体三极管、10 000多个二极管，它的时钟频率达到

    了1兆赫。晶体三极管前途无量。

    半导体晶圆的制造技术

    早期半导体技术中最重要的进展是半导体晶体的制造。在20世纪50

    年代早期，贝尔实验室就开始了超纯锗和硅晶体的制造，其纯度要求是

    杂质浓度小于11010。化学工程师威廉·潘(William Pfann)是制造超纯

    半导体晶体的先驱。从1950年起，潘就开始从液态锗着手制造锗晶体

    了，但这一技术无法用于硅晶体的制造。因为硅的熔点为1415℃远高于

    锗的熔点937℃，在1415℃的高温下，几乎所有的物质都会与融化的硅

    进行化学反应。威廉·潘和他的提纯设备

    1952年起，贝尔实验室的化学家亨利·索罗(Henry Theurer)研发

    出了一系列提炼硅晶体的技术。索罗把硅做成圆柱状，然后让它通过一

    个能产生极高温的线圈，这一小段硅被高温熔化后，再用气体去除杂

    质。1955年年初，索罗制造出了杂质浓度小于11010的硅晶体。图8-1是

    晶体提纯原理图。图8-1 晶体提纯原理图

    杂质扩散工艺

    从20世纪50年代起，贝尔实验室就开始它的晶体管制造工艺的改

    良。化学家卡尔文·富勒(Calvin Fuller)领导的研究小组很快就研发出

    了高温下杂质在锗晶体中的扩散工艺。在500℃的高温下，富勒发现铜

    很容易扩散到锗晶体的表面之下，形成PN结。富勒的扩散工艺能够通

    过控制时间和温度来精确地控制杂质进入锗晶体的深度与数量，并在此

    基础上制造出PN结。贝尔实验室的化学家卡尔文·富勒

    1954年，贝尔实验室的工程师达利·查斌(Daryl Chapin)和物理学

    家杰拉尔德·皮尔森(Gerald Pearson)与富勒一起，用扩散技术在锗晶

    体表面下形成了溴原子薄层，一个PN结就这样制成了。富勒的扩散技

    术使用的设备是一个石英管，半导体晶体被放在其中，杂质以气体的形

    式被引入石英管。石英管外有一个加热线圈，温度由石英管中的热敏电

    阻来控制。富勒领导的小组进行了大量的实验，取得了大量的实验数

    据。但是，如果他们要在硅晶体中使用扩散技术，还是有很多问题的：

    一是加热后的硅晶体的寿命会变短；二是硅晶体表面会裂开。富勒很快

    就意识到，硅晶体的寿命问题源于金属污染，在石英管内加入氧气就能

    起到保护硅晶体表面的作用。

    1954年4月26日，贝尔实验室发布了富勒研究小组用扩散技术制造

    的PN结和它的光电流效应。到了20世纪50年代末，以此为基础而制造

    出来的太阳能电池就已经在农村和卫星上使用了。

    不久，查尔斯·李(Charles Lee)利用扩散技术制造出了微米大小的

    晶体三极管，把晶体三极管的速度提高到了170兆赫，10倍于早期晶体

    三极管。1954年3月，李向美国专利局提交了以扩散技术制造晶体三极

    管的专利。

    1955年3月，富勒研究小组把扩散技术应用到了硅晶片上，他们把两种杂质以扩散技术注入到了硅片上，形成了NPN三明治结构。莫里斯

    ·塔纳堡(Morris Tanenbaum)在此基础上制造出了硅基晶体三极管。这

    是一个在N型硅晶上的NPN硅管，基极厚度为2微米。电极由铝合金制

    成，发射极由锑和铝合金形成。不过，这个晶体三极管很难量产。

    贝尔实验室以扩散技术制造的第一个硅基晶体三极管

    不久，贝尔实验室的另一位工程师马丁(L.E.Martin)通过将基极

    和发射极分别制造的方法解决了生产的难题。马丁还发明了欧姆接触的

    连线技术，大大减小了三极管的接触电阻。马丁设计的点环结构的晶体

    三极管是最早量产的晶体三极管。

    1956年1月，贝尔实验室举行了第三次晶体三极管技术报告会，其

    主题只有两个：硅基晶体三极管和杂质在晶体中的扩散技术。直到今

    天，扩散技术还是晶体管制造的基础。光刻技术

    1955年，贝尔实验室的朱尔斯·安德鲁斯(Jules Andrus)和沃尔特·

    邦德(Walter L.Bond)开始把制造印刷电路板的光刻技术应用到硅晶片

    上了，这样做的目的是把形状刻印到硅片上。光刻技术的过程是先把一

    层光敏材料均匀地涂抹到硅片表面，然后对想要的形状曝光到光敏材料

    上，再进行化学冲洗，去掉不需要被挡住的地方，此时再把杂质扩散到

    硅片上想要的区域。

    1957年，美国空军的两位工程师杰伊·莱斯罗普(Jay Lathrop)和詹

    姆斯·纳尔(James Nall)首先获得了用金属连接陶瓷上的微型电路的专

    利，他们用的就是在氧化硅上利用光刻挖洞的技术。后来，莱斯罗普加

    盟了德州仪器和杰克·基尔比一起工作，纳尔去了加利福尼亚州的仙童

    半导体公司工作。图8-2是莱斯罗普的光刻专利。图8-2 莱斯罗普的光刻专利

    1958年，仙童半导体公司的的杰·拉斯特(Jay Last)和诺伊斯制造

    出了第一台光刻照相机，用于硅基晶体三极管的制造。

    1961年，美国GCA公司制造出了第一台光刻机，此后光刻成为芯片

    制造中最重要的环节。今天，光刻技术和设备是芯片制造最关键的部

    分。芯片的制程也由20世纪50年代的十几微米，缩微到今天的7纳米。一台光刻机的要价达上亿美元。

    二氧化硅薄膜的制备

    1955年，贝尔实验室为了解决硅表面在高温杂质扩散时裂开的问

    题，化学家卡尔·弗洛士(Carl Frosch)不小心将氢气加入了扩散炉中，扩散炉中产生了水蒸气，结果在硅晶片表面产生了一层二氧化硅。没想

    到这层二氧化硅竟然是一层很好的杂质扩散的阻挡层。

    弗洛士和他的技术员林肯·德里克(Lincoln Derick)很快就对不同

    的杂质进行了研究，发现锗能穿过二氧化硅，而溴和磷不能穿过二氧化

    硅。他用氢氟酸在二氧化硅上腐蚀出一些小区域，然后在这些小区域内

    进行杂质扩散，于是杂质就被扩散到了硅晶片上的指定区域内。1957

    年，弗洛士为这一极为重要的技术申请了专利。

    富勒、弗洛士和德里克

    二氧化硅很快就成为晶体管生产和平面处理技术中的最重要的物

    质。二氧化硅不但可以用作半导体PN结之间的绝缘物质，同时还被用

    来保护硅晶体不被金属污染。因其绝佳的绝缘性能，在后来的芯片工艺

    中，二氧化硅被广泛地使用在封装和绝缘工艺中。

    有了这些半导体材料制造、半导体掺杂、光刻工艺后，人们就可以控制晶体中的杂质和导线中的电子流动了。接下来的事情就是利用这些

    技术把制造电子设备的不同电子器件制作在一起，并通过金属连线把这

    些电子器件连成一个电路。

    不久，德州仪器的基尔比和仙童半导体公司的诺伊斯就把源于贝尔

    实验室的这些现代半导体工艺应用在芯片的制造上。当这些由贝尔实验

    室的工程师发明的技术落到了这些电子设备制造商手上，一个惊天动地

    的奇迹就被创造了出来。第三次工业革命由此发端。

    今天的高科技是科学、工程、金融和工业组织联合起来创造的新技

    术，硅谷的公司和产业是它的代表。一个世纪前，没人能预见高科技给

    今天这个世界带来的变化。这些变化影响了我们生活的每一方面：私人

    和公共机构、经济体制、通信网络、政治结构、国际事务。现今社会的

    所有的社会组织都受其影响，这些影响源于肖克利、巴丁和布莱顿的晶

    体管，他们用晶体管点燃了高科技之火，使之燃着了硅谷，燃遍了世

    界。他们三人中少了哪一个都不可能发明晶体管，当然也少不了贝尔实

    验室。

    贝尔实验室是科技史上的奇迹，它集中了二战后美国最优秀的科学

    家、最先进的科研设备、最完备的技术设施和最智慧的科研领导。贝尔

    实验室的工程师占尽了天时地利人和。当肖克利的简单的点接触方案行

    不通的时候，巴丁想到可能是晶体的表面状态阻止了电子进入晶体，布

    莱顿按此思路，以他精湛的实验技巧找出了解决方案。肖克利后来提出

    的结型晶体管的完整理论，不但对理解晶体管的工作原理做出了重要的

    贡献，还制造出了更为实用的晶体管。贝尔实验室的主管对晶体提纯和

    半导体材料的制造技术的重视和发明晶体管本身一样重要，而贝尔实验

    室研发的扩散技术则使制造结型晶体管成为可能。事实上，制造晶体管

    和芯片的主要工艺和技术都是由贝尔实验室研发的。

    由战后的电信业垄断集团美国电话电报公司建立的贝尔实验室对20

    世纪五六十年代的高科技的发端和发展有着无法估量的贡献。尽管半导

    体技术的物理原理早在20世纪30年代就被欧洲物理学家发现了。但是，要用这些理论创造一个新工业，还要等美国来完成，也就是要由贝尔实

    验室来完成。没有人对半导体技术的前景像贝尔实验室的工程师那样清

    楚。半导体工业是未来的工业，谁主导了半导体工业，谁就主导了未

    来。主导了半导体工业的人就是主导航运业的范德比尔特、主导冶金工

    业的卡内基、主导石油业的洛克菲勒、主导汽车业的福特。等到肖克利

    半导体实验室的“叛逆八人帮”离开肖克利成立了仙童半导体公司的时候，他们就是由半导体工业成就的第一批亿万富翁。时至今日，无论是

    比尔·盖茨、乔布斯，还是那些由互联网成就的亿万富翁，他们都是贝

    尔实验室、德州仪器和仙童半导体公司的传人。第二篇 创造奇迹的芯片

    每个重大的技术发现背后都是一个奇迹。

    ——阿瑟·洛克09 发明芯片：德州仪器和基尔比的奇迹

    我认为，这些人的工作改变了世界和人类的生活方式，他们是亨利

    ·福特、托马斯·爱迪生、莱特兄弟和杰克·基尔比。杰克发明的芯

    片，不但革新了电子工业，还改变了人们的生活。

    ——德州仪器前董事会主席汤姆·恩吉布斯

    近现代以来，人类的重大技术发明层出不穷，你永远想不到下一个

    是什么。这种改变人类生活方式的发明总是由两个或是两个以上的人在

    不同的地点和不同的时间发明的，芯片的发明就是一个例子。这些发明

    不但改变了我们的世界，而且其本身就是一个奇迹。如硅谷风险投资始

    祖阿瑟·洛克所言：“每个重大的技术发现背后都是一个奇迹。”德州仪

    器的工程师杰克·基尔比就是芯片这个奇迹的创造者。

    基尔比发明的世界上另一块芯片芯片的发明人杰克·基尔比在他获得诺贝尔奖之前是一位默默无闻

    的普通工程师。但是，我们这个世界没有忘记他，2000年他被授予了诺

    贝尔物理奖；美国没有忘记他，《洛杉矶时报》评选20世纪对美国经济

    最有影响的50人时，基尔比和诺伊斯及肖克利并列第一；基尔比所在的

    公司——德州仪器更没有忘记他，德州仪器的研发中心就是以基尔比的

    名字命名的。

    基尔比平易近人，话不多，身高两米多。每逢有人问他，是否爱好

    篮球时，他都会说，高中时，因为身材被选入篮球校队，但并不喜欢篮

    球，那是受罪。基尔比是2000年诺贝尔物理学奖获得者。2000年的诺贝

    尔物理奖给了三个人：基尔比、若尔斯·阿尔费罗夫、赫伯特、克罗

    默，他们分别是芯片、高频晶体管和激光二极管的发明人。这些技术是

    现代电子工业和计算机工业的基础，也是第三次工业革命的技术基础。

    平凡少年

    尽管，基尔比是高科技奇迹的创造者，但是在其人生道路上既没有

    奇迹也没有与众不同。基尔比于1923年11月8日，出生于美国中西部堪

    萨斯州的杰斐逊城。父亲赫伯特·基尔比和母亲薇娜·基尔比都是伊利诺

    伊大学香槟分校的毕业生。基尔比4岁时，他们一家搬到了萨琳娜。在

    那里，基尔比的父亲是一位优秀的电气工程师，还拥有一家小型电力公

    司——堪萨斯电力公司(Kansas Power Company)。基尔比从小就跟父

    亲一起去公司的发电厂，经常看父亲和发电、输电设备打交道。从那时

    起，基尔比就立志成为一个和父亲一样的电气工程师。

    在基尔比十岁时，父母带他参观了芝加哥的世界博览会，基尔比对

    博览会记忆最深的是未来城市的那部分。那里展出了汽车、高速公路，还有一个侧面挡板被打开的火车头，孩子们可以看见火车是怎么工作

    的。一个悬索滑车，可以把人直接送到一个人工湖的对岸。基尔比知

    道，未来会和现在大不同，他要参与这种改变。

    暑假期间，基尔比的父亲常常带他去公司。基尔比在那里看到了作

    为电气工程师的父亲是怎样工作的。同时也接受了父亲给工程师的定

    义：“一个能用一元钱完成一般人要用两元钱完成的工作的人，就是工

    程师。”

    基尔比对体育兴趣不大。他把业余时间都花在拆卸家里的东西上，他拆过钟表、无线电、玩具，也修理过家里的电器，如烤箱等。基尔比

    一家在萨琳娜住了十年后，他们搬到了大湾城。基尔比的父亲鼓励他和

    他的妹妹多读书，他为基尔比和他的妹妹订了好多杂志，其中的《大众

    科学》(Popular Science)和《大众机械》(Popular Mechanics)，这些

    杂志对基尔比的影响极大。

    1937年，基尔比的父亲在当地建立起了一个业余无线电通信网络。

    基尔比第一次看见了如何架设天线，检测信号。在帮助父亲工作的同

    时，基尔比认识了两个比他大十几岁的业余无线电爱好者(HAM)。

    这两个人教会了他莫尔斯码和发报技术，他们指导基尔比组装了一台发

    报机，还鼓励他去考HAM执照。很快，基尔比就拿到执照了。他经常

    同世界各地的HAM通话，最远到过古巴和夏威夷。

    基尔比就读于大湾城高中。此时的基尔比身高两米，戴着眼镜。他

    的功课并不是很好，平均成绩为B。教他理科的老师对他影响不大，是

    一位历史老师激发了他对学术的热情。这位历史老师让他认识到了必须

    在生活中发掘出自己最大的能力，并以此作为自己的生活目标。基尔比

    家虽然不缺钱，但暑假期间，他还是要去干农活或是在父亲的厂里当临

    时工。这些暑期工作对他的影响是，他决定今后绝不做体力劳动者。

    高中期间，基尔比除了想当工程师外，从未想过会去做其他的工

    作。1941年，基尔比高中毕业，以3分之差未能进入当时美国最好的工

    学院——麻省理工学院，这件事让他一生耿耿于怀。基尔比来到他的父

    母就读的伊利诺伊大学香槟分校读本科。入学不久爆发了珍珠港事件，大二的基尔比加入了美军，成为一位无线电通信设备维修员，并到了印

    缅战场。基尔比在那里一待就是几年，他曾随史迪威将军在中国作战六

    个月。基尔比后来说过：“学校外面的事情能让你很快得成熟。当问题

    发生时，你必须面对它们，想出办法，解决它们，然后你就进步了。”

    二战结束后，基尔比回到大学继续他的学习，学费由军队承担。当

    时的大学电机系，正在从传统的电力工程转向电子工程。基尔比发现，好老师都是教传统的电力工程的教授。电子工程的教授，则大多数来自

    军队，那些在二战中使用过雷达和无线电的军人。

    初入职场

    1947年，基尔比获得电子工程学士学位。毕业时，有三家公司给了基尔比工作。一家是有名的通用电气公司，一家是伊利诺伊贝尔，还有

    一家是全球联通在密尔沃基的中心实验室。

    基尔比选择了中心实验室，他一边工作一边在威斯康星大学密尔沃

    基分校攻读硕士学位。这期间，基尔比和芭芭拉·安吉斯(Barbara

    Annegers)结婚了，几年后，他们有了两个女儿。基尔比于1950年获硕

    士学位。

    中心实验室一共有40位工程师。基尔比在一个有八位工程师的小组

    里工作。中心实验室的产品是当时最先进的电子产品，他们曾在二战期

    间第一个用印刷电路工艺来制造电路。如今，他们准备把各种不同材料

    的薄膜印在陶瓷上，再在上面插入真空管，目的是将电子线路小型化，并以此来制造助听器、无线电收音机和电视。

    基尔比阅读了大量当时有关微型化电路的论文。他很快就了解到了

    贝尔实验室发明的晶体管，他很清楚，晶体管是电子线路的最好器件。

    在听了晶体管发明人巴丁在密尔沃基的演讲后，基尔比对晶体管的兴趣

    更大了。1952年，他所在的公司从贝尔实验室取得了生产晶体管的专利

    许可，费用只有2.5万美元。基尔比被公司派到贝尔实验室参加为期两

    周的晶体管技术研讨会。与会期间，基尔比尽可能地学习各种晶体管制

    造工艺和晶体管理论。回到公司后，基尔比组建了一个3人研发小组。

    他们制造了一些晶体管制造设备，同时也长出了晶体，做出了晶体管。

    他们用晶体管和电阻、电容一起制造出了放大器，并投放了市场，但利

    润不大。当时晶体管最大的市场是国防工业，但国防工业需要的是硅管

    不是锗管。

    基尔比在中心实验室工作的10年里，获得了十几个专利。但他发

    现，在中心实验室工作已经无法实现他心中的微型电路梦想了。对基尔

    比来说，晶体管是未来，硅是通往未来的电子材料，但中心实验室对硅

    没有兴趣。

    发明芯片

    1956年年初，基尔比在贝尔实验室的第三次晶体管研讨会上，学到

    了杂质扩散工艺。基尔比一直在晶体管和芯片工艺的前沿工作，但中心

    实验室并不想在硅上投资。于是，基尔比开始向有晶体管科研能力的公

    司发个人简历，希望能在那些公司里实现自己的想法。基尔比面试了IBM、摩托罗拉、德州仪器等公司。1958年5月，基尔比加盟了当时刚

    从海上石油钻探设备转行到电子设备上的德州仪器。德州仪器从贝尔实

    验室取得了制造晶体管的专利许可，第一个制造出了硅晶体三极管。德

    州仪器是美国国防部的电子设备微型化计划的合作伙伴，也是当时最大

    的硅晶体三极管的制造商。基尔比觉得德州仪器的威利斯·阿德考克

    (Willis Adcock)研发小组，“已经准备好了做出一些与众不同的事

    情”。在基尔比的眼里，阿德考克是一个非常严肃认真的工程师。

    阿德考克研发小组正在为军方做一个叫“微型模块”(Micro

    Module)，即平面电子器件的项目。基尔比认为这只是把制作好的电子

    器件里新包装一下而已，没有新意，最重要的是成本太高。基尔比对此

    没有兴趣。

    基尔比后来回忆道，我有一个预感，如果我不能很快地想出一个好

    主意，那么“微型模块”小组肯定会找到我的。

    因为刚刚加盟德州仪器，基尔比没有多少假期，德州仪器位于极其

    炎热的德克萨斯州的达拉斯市，暑假期间绝大部分员工会去度假。1958

    年暑假，基尔比刚刚加入德州仪器，无法和其他员工一样去别处度假避

    暑。整个德州仪器只有少数人在工作，基尔比此时正好有时间静静地思

    考如何开发自己感兴趣的新工艺。基尔比有十年的制造印刷电路的经

    验，他很清楚德州仪器的竞争力在于硅，但硅工艺的缺点是造价高。他

    很快就意识到德州仪器最好的电子产品将是先在硅片上制作出各种不同

    的电子器件，再把它们连接起来。当时的形势是：每一种基本器件都已

    有了制造它的最好的材料。但基尔比的直觉告诉他，电路所需的所有器

    件都可以用一种材料——硅来制作。

    基尔比对当时的微型电路工艺非常清楚，在诺贝尔奖获奖感言中，他把它们归纳为三类：一种方法是把各种器件做成同样大小和形状，使

    电路连接变得很简单；第二种方法是用薄膜来制造各种器件，不能用薄

    膜做好器件后加上去；第三种方法更为彻底，就是在一种材料中，制造

    出一种全新的结构，并用它做出一个完整的电路。

    在基尔比的眼里，这些方法最大的问题是制造这样的电路需要不同

    的材料和工艺。基尔比早就知道除了电感之外，其他的电路基本器件：

    电阻、电容、二极管、三极管都能在一种材料上制作出来。所以，在一

    种材料上做出所有电路需要的器件才是电路微型化的出路。1958年7月24日，基尔比在工作笔记中写道：“由很多器件组成的极

    小的微型电路是可以在一块晶片上制作出来的。由电阻、电容、二极管

    和三极管组成的电路可以被集成在一块晶片上。”他在这一天记下了5页

    关于如何把这几种器件集成在一起的想法和实际应用，基尔比甚至构想

    了一个用这一方法生产一个具有完整功能的电路的工艺流程(见图9-

    1)。基尔比的想法很简单，就是把这几种器件制作在同一块晶片上，然后将它们连成一个具有完整功能的电路。利用当时已由贝尔实验室开

    发出的扩散技术和物理气相沉积技术在一块晶片上实现这几种器件，并

    非难事。

    图9-1 基尔比芯片的电路图：1.2兆赫的振荡器

    等到研究小组里的其他同事回来时，基尔比向阿德考克提出了用一

    种材料制作一个触发电路的方案。阿德考克同意了基尔比的想法，并

    说“这事好像挺麻烦的”，但阿德考克让他尝试一下。基尔比先用硅做出

    了分立的电阻、电容、二极管和三极管，然后再把它们连成了一个触发

    电路。1958年8月28日，基尔比完成了这一尝试结果令人非常满意。

    在基尔比向阿德考克展示他的这一电路的同时，他向阿德考克提出自己的下一个电路将把所有器件做在一块半导体上，阿德考克一口答应

    了。

    既然能用单一材料硅制作这些分立器件，就能把这些器件组合在一

    起。基尔比立即行动起来。当时的德州仪器已有几种锗器件，并能先把

    金属蒸发在锗管的发射极和基极上，再用蚀刻技术做成接触点，然后连

    接起来。基尔比得到了几张这样的锗晶片，他决定用它们做两个电路。

    他先在锗晶片上制造出三极管，然后在纯锗晶体中少量掺杂做成电阻，最后用反向二极管做出电容，再用金线将它们连成一个相移振荡器

    (Phase-shift Oscillator)。两个助手把制成的电路切割成0.12英寸 [1]

    ×0.4英寸大小的成品。

    两周内，基尔比做了三个这样的电路。1958年9月12日，基尔比给

    阿德考克和研发小组里的其他同事演示了他的实验。基尔比紧张地将10

    伏电压接在了输入端，再将一个示波器连在了输出端，接通的一刹那，示波器上出现了频率为1.2兆赫兹、振幅为0.2伏的震荡波形。现代电子

    工业的第一个用单一材料制成的芯片诞生了，这是一款改变世界的芯

    片。正如基尔比所言，我们当时没有想到就是这样一块小小的芯片，把

    电子设备的成本降低了100万倍。Type 502 TI的双稳多通道振荡器芯片(1960年)

    一周后，基尔比用同样的方法成功地做出了一个触发电路。基尔比

    的电路和后来在硅晶片上实现的芯片相比，样子非常难看，但是，它们

    工作得非常好。它们告诉人们，将各种电子器件集成在一块晶片上是可

    行的。

    1959年10月，基尔比研发小组准备用锗设计一个新的触发电路。这

    次他们要从头做一个触发电路。他们做出了电阻、电容和三极管。第一

    个成功的触发电路是在1959年年初完成的，该电路就是1959年3月6日向

    公众发布的“固体电路”。

    德州仪器半导体部门的副总裁马克·谢泼德(Mark Shepherd)

    说：“我认为这是德州仪器把硅管量产后最重要的一项发明。”他还预言

    了，芯片将首先应用在计算机、导弹和空间站上。1959年1月28日，一个让人紧张的消息传来。RCA正准备将他们开

    发的芯片上报专利局。这一消息使基尔比和德州仪器的管理层大吃一

    惊。他们迅速地为基尔比的发明准备好了专利申请材料。1959年2月6

    日，德州仪器的专利代理人将一份内容广泛的“微型电子线路”的专利申

    请递交给了美国联邦专利局。该申请材料称：“与过去的微型电子线路

    相比，该发明是基于全新的、完全不同于以往任何微型电子线路的理

    念。根据这一全新的工艺来实现微型电子线路，只需要一种半导体材料

    就能将所有电子器件集成起来，并且其工艺步骤是有限的，易于生产

    的。”

    1959年3月，在美国无线电工程学院(IEEE的前身)年会上，德州

    仪器向新闻界发布了他们的革命性发明——“固体微型电子线路”。基尔

    比的助手谢泼德宣布：“这是德州仪器开发的最有意义的技术成果，因

    此我们宣布芯片在商业上是可行的。”这一消息使得RCA放弃了和德州

    仪器争夺芯片发明权的企图。基尔比和他发明的计算器

    1959年1月底，仙童半导体公司的诺伊斯也有了生产芯片的想法。

    他的想法基于仙童半导体公司的创始人霍尼的平面工艺和硅晶片上的扩

    散技术。平面照相技术是在硅片上加上一层氧化硅作为绝缘层，然后在

    这层绝缘氧化硅上打洞，用铝薄膜将已用硅扩散技术做好的器件连接起

    来。这样各器件之间就会有良好的电绝缘，而且绝缘氧化硅可以保护硅

    片上的器件，但是这一工艺只适用于硅晶体。

    基尔比的发明没有很快地得到应用，工业界对芯片持有怀疑和犹豫

    的态度。基尔比后来回忆道，芯片是在它被发明了几年后才火起来的，但是德州仪器一直在寻求芯片的实用途径。美国空军当时正在想方设法

    地把他们的计算机小型化，这时德州仪器的一个团队制作出了一台只有

    587个电路的计算机。它让德州仪器赢得了空军的民兵2型导弹上的计算

    机项目，德州仪器用2000块芯片完成了该计算机的设计。

    正是因为平面工艺，才使得仙童在硅晶体三极管技术领先于当时其

    他的半导体生产厂家。这一技术也使得仙童能够制造出小于千分之一英

    寸的高性能、高可靠的硅晶体三极管，这使芯片中器件间的连接成了可

    能。

    把器件制造在同一块晶片上，基尔比和诺伊斯的想法相同，在器件

    的连接问题上，诺伊斯的想法领先于基尔比。这是因为仙童的霍尼此前

    已经发明了平面工艺，而德州仪器则没有掌握这一关键工艺。尽管，基

    尔比先于诺伊斯申请了芯片的专利，但因为有了平面工艺来连接各个器

    件，所以诺伊斯的工艺领先于基尔比的工艺。

    诺伊斯对芯片的生产工艺进行了细致深入的思考，一个月后，在诺

    伊斯得知德州仪器的发布会后，他向仙童的同事宣布了自己的想法。

    1959年春，诺伊斯起草了芯片的专利申请书。他事先知道德州仪器已向

    专利局递交了申请，但不知道其中的内容，因此他在自己的专利申请中

    强调仙童的工艺是以平面工艺来制造芯片的。

    实际上，仙童和德州仪器的芯片制造工艺几乎是同时出现的。诺伊

    斯和基尔比都是把当时已有的分立的工艺过程，为了同一个目的连起来

    使用，其中大多数技术是贝尔实验室开发的。后来诺伊斯说：“即使我

    们没有这些想法，即使芯片制造工艺专利不在仙童出现，那也一定会在别的地方出现，即使不在20世纪50年代末出现，那也会在后来的某一个

    时间点出现这一发明。只要晶体管制造工艺发展到一定程度，芯片制造

    工艺的想法就会出现，这一技术就会被人发明。”

    当时对生产芯片有三种反对意见：第一，芯片的需求量和产量都太

    小，无法获利，当时只有10%的晶体管厂家能在晶体管生产上获利；第

    二，芯片并没有充分利用材料特性，比如半导体就不是最好的电阻材

    料；第三，很多人觉得晶体管这么好的器件不应该和其他器件在一种材

    料上混用。这些反对意见都有一定的道理。还有很多在大公司工作的人

    认为半导体芯片的成功将导致很多电路设计工程师失业。但是，芯片成

    功后，电路设计工程师不但没有失业，社会对他们的需求量反而大大增

    加了，只是他们的工作性质稍有不同。

    转折点来自军工产业。两个巨大的军工计划——阿波罗登月计划

    和“民兵”导弹开发计划，大大促进了芯片的发展。阿德考克和德州仪器

    非常支持芯片的开发。德州仪器宣布了它的比火柴头还小的器件，并和

    空军分担研究费用。因为该器件能用在“民兵”导弹上的小型计算机中。

    1964年，只有几家最先进的公司在生产芯片，它们试图推广芯片的

    应用。但很快芯片就成了业界主流。芯片取代了晶体管，为开发各种功

    能的电子产品铺平了道路，并且大幅度降低了成本，第三代电子器件从

    此登上舞台。芯片也使微处理器的出现成为可能，计算机终于有机会走

    进千千万万户普通人家了。基尔比和他在德州仪器同事(菲利普、韦弗、比亚尔、费尔希)

    朴素人生

    不久，德州仪器的董事长让基尔比在三个难度很大的项目中选一

    个，基尔比选择了开发小型计算器。他领导一个三人小组，在1971年完

    成了该项目。该计算器重2.5磅 [2]

    ，售价200美元，是当时的台式计算器

    售价的15。几年后，世界上的小型计算器的年销售量就达到了几亿

     ......