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1947年,贝尔实验室的三位科学家发明了晶体管。晶体管所开创造的半导体产业,如今年产值已经超过2700亿美元,并且仍在高速前进,为这个世界带来日新月异的变化。作为主要部件,它及时、普遍地首先在电子产品方面得到应用,并产生了巨大的经济效益,让人们的生活方式因此而改变——我们的生活中到处充斥着电子产品,计算机、手机、飞机控制系统、太空飞船、DVD机、咖啡机等等,如果没有它们,你将无法想象你现在的生活会是一个什么样子。没有它们你无法穿过超市的自动门、扫描汽水上的条形码、用信用卡付帐......晶体管电子产品正驱赶着文明前进的步伐。
晶体管推动电子产品革命
在晶体管发明之前一段时间内,电子产品只和一小部分领域相关,例如收音机和电视机。1950年代以前,电子设备都是由电子管制作而成。电子管有缺陷,例如金属丝会像电灯泡中的灯丝一样烧掉,所以要让设备运转就得备很多货,但它却也有自身的一些优点,如能将极弱的信号放大,而且还能用作开关等等。
那时的电子产品体积很大,所以应用如灯泡大小的晶体管也就不足为奇了。看看1940年代、1950年代的电视机和收音机,看上去更像是一件家具,全球第一台电子计算机ENIAC大得都能塞满一间屋子。科学家们于是要研发更好更小的电子管,同时,另一部分科研人员在寻找替代电子管的方法,并将研究方向转向了半导体。
1947年12月16日,威•夏克利、约•巴敦和沃•布瑞屯利用锗成功制出了第一个晶体管。1950年,夏克利开发出双极晶体管,即后来通常所说的晶体管。1956年,夏克利等三位科学家分享了的诺贝尔物理学奖。由于锗晶体管并不可靠,科学家们便试图寻找另外一种新材料来制作晶体管。
科学家们终于找到了硅。硅是一种很好的制作晶体管的材料。1954年引入市场的硅晶体管使整个行业发生了翻天覆地的变化。到1950年代末,小小的晶体管几乎在各个电子行业都替代了不可靠的电子管。它让电子设备变得更小、更酷、更便宜。但科学家们并没有满足,他们想要创造出更小的东西。
晶体管推动计算机革命
如果你问一个从1950年代末1960年代走过来的人,对于晶体管他们会想起什么,他们很有可能会回答“晶体管收音机”。晶体管收音机因其小巧和便携确实改变了人们听音乐的方式,但真正的晶体管革命却发生在计算机领域中。
晶体管在计算机里通常是作为开关而不是放大器来用的。一开始是成百上千,后来是需要上万个这种开关来组成复杂的逻辑电路让计算机进行计算。与早期的电子管不同的是,晶体管让计算机变得更小、更可靠,而且能满足人们对于速度的需求。
计算机的速度取决于晶体管的转换速度,晶体管的速度越快计算机的速度也就越快。研究人员发现要想让晶体管运行更快,晶体管本身就应该越小才好,因为电子在半导体中运动,如果电子穿越的材料越少,电子就能移动的更快。到1970年代,大众化生产技术已经能在一个硅晶片上可以绕上几千圈微量级晶体管,然后再一块块分割开安装到设备上。
在进行大量生产计算机时,一些逻辑电路就变得成了标准电路。科学家们认为要让标准电路更紧凑,应当将电路设计成一个个单元。英国科学家段摩尔建议将整个电路直接做到硅晶片上。1958年,杰•克白和若•诺伊斯创造出了这种电路——人们称它为集成电路。
集成电路在我们的生活中几乎随处可见,计算机即是最著名的例子。计算机是第一批使用集成电路的设备,而且现在依然是集成电路领域中最被认可的。第一个集成电路非常简单,只有几个晶体管,而且也仅仅只是论证了理论的可行性。但这种在硅晶片或“芯片”上一步完成整个电路制作的想法却是一个真正的突破。集成电路在当时非常贵,只有百万富翁才买得起,但实在是物有所值。不久,当集成电路能进行批量生产时,计算机的设计也因此获得了革命性的变化。
晶体管与纳米技术
愈来愈小的计算机依然是非常复杂的技术系统。在计算机内部有各种不同的芯片来完成各项工作,但人们最熟悉的莫过于存储芯片和微处理器。
在一个主要的存储芯片上有好几百万个甚至数亿个晶体管。微处理器是每台计算机中的另一个重要的芯片。诸如网页浏览器之类的程序,需要处理大量的文字、图片、来自用户的接受指令以及和其他计算机之间的交流这些都需要无数个晶体管来存储所有通过的代码信息。芯片不仅仅只是晶体管的家,它还有其他组成电路的元件,例如电容器和互联导体。
英特尔公司的创办人之一哥•摩尔1965年预言,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),这就是著名的“摩尔定律”。一般比较芯片优劣的方法就是看它们上面晶体管的数量。2005年在一个芯片上已能集成约10亿个晶体管,2020年可达320亿个。
为了将如此之多的晶体管和电路元件组合到一个芯片上,科学家不得不缩小部件的尺寸。虽然科技进展迅速,但晶体管产生的废热和漏电,仍是缩小设计及延续摩尔定律的最大障碍。因此业界决心以新材料取代过去40年来制作晶体管的材料。人们将这个令人激动的新领域称为“纳米技术”,它会为21世纪的电子科技开启全新的研究方向。
纳米技术发展最初的动力之一,是半导体工业制造更小晶体管的需求,及在同样或更小尺寸的芯片上封装高密度集成电路的需求。纳米技术领域中的科学家相信,通过努力能做到集成电路变得越来越小。世界上的第一颗晶体管大到可以握在手中,而数百颗英特尔的45纳米晶体管加起来才相当于一个红血球细胞的表面积那么丁点大。计算机设计者们甚至预测未来基于纳米技术的计算机可能连晶体管都不需要了。
纳米技术正在对手机和计算机显示产生巨大的影响,因为它们都有利用纳米薄膜层生产的有机LED(OLED)。大部分的计算机硬盘都是由纳米记录媒介和一种由巨磁电阻(GMR)材料生产的磁头组合而成。
纳米技术还非常的新,人们在这一方面获得的知识还很少,所以很难预测未来的发展。但是很多科学家相信,纳米技术手中握有开启通往下一代更小巧、速度更快、能在更小的空间中装入更多部件的电子设备之门的钥匙。
晶体管的“遍在信息”时代
1965年〜1969年间每一芯片上集成的晶体管数量的确达到了每年翻番的水平,但自1969年到2005年间已降到1.5年〜2年翻一番,估计2009年〜2018年将进一步下降到3年翻一番。
尽管晶体管发展有趋缓的现象,但它促进并带来了“固态革命”,进而推动了全球范围内的半导体电子工业。以计算机为例,在科技发达国家中,1980年主要用于研究,1个单位也就1台计算机。1985年〜1990年间,计算机推向商业应用,普及率达到10人1台计算机。1995年〜2000年包括个人台式计算机和个人便携计算机,大约已普及到人手1台计算机。2005年〜2010年,是以移动电话、个人计算机和平板电视三大数字产品为主的大量消费时代。
晶体管的不断发展及微缩化,让计算机等电子产品也以惊人的速度不断缩小,与此同时功能却在日益强大,小型化让我们可以提着笔记本电脑实现OTG(外设可以在无主机参与的情况下直接互连进行通信工程)式生活和办公方式。今后,包括个人计算机、手机等终端,将可能达到1人10台,进入所谓“遍在信息(Ubiquitous)”时代。