#頭號創(chuàng)作者激勵計劃#

這，是一個5納米的晶體管。

現(xiàn)在一塊主流芯片里，輕松塞下1000億個！

小到你無法想象，卻無處不在：手機、電腦、汽車、火箭...全球總數(shù)，保守估計超過270萬億顆！絕對的電子世界基石！

大家好我是火箭叔，時間回到1947年，發(fā)明它的肖克利、布拉頓、巴丁，誰也沒料到這‘小不點’能翻天覆地！為啥？因為當(dāng)初，它只是個‘備胎’！

一切要追溯到1880年，愛迪生在白熾燈里偶然發(fā)現(xiàn)了一個“小魔術(shù)”：他把一塊與燈絲電路不接觸的金屬片放進燈泡，通電發(fā)光時，那塊金屬片竟然也流過了微弱的電流。它后來被稱為熱電子發(fā)射現(xiàn)象，而這個燈泡，就是最原始的真空二極管。

到了1906年，米德弗雷斯特在這個“小魔術(shù)”的基礎(chǔ)上，添加了第三條“控制線”——即第三根電極，用來在陰極與陽極之間施加電場。只要輕微調(diào)整第三極的電壓，就能控制二極管的電流強弱，真空三極管由此誕生。它成為第一個真正可控的電流放大器，電話信號、廣播音頻都能靠它延伸到更遠(yuǎn)、更廣的地方。

然而真空管有著致命缺陷：它體積龐大、耗電高、壽命短，還會因溫度驟變而燒毀。二戰(zhàn)期間的雷達(dá)和通信需求令這些缺點暴露無遺——一臺計算機要用上萬只真空管，光散熱就讓整個機房幾乎變成烤箱。于是，貝爾實驗室的科學(xué)家們開始尋找固態(tài)替代方案。

20世紀(jì)30年代末，量子力學(xué)的進展讓大家知道了一種介于“金屬和絕緣體”之間的神奇材料——半導(dǎo)體，通過摻雜便可調(diào)節(jié)載流子的濃度和遷移率，即改變電流的大小。于是肖克利就想：這會不會就是他們正在尋找的替代材料？用它試試！他便開始在實驗室里把硅或鍺片夾在兩根電極之間，再給第三根電極上加電壓，來測試這個裝置能否像真空管那樣控制電流。

可惜，早期實驗總是以失敗告終。硅表面存在氧化層和雜質(zhì)，使得外加電場難以穿透晶片內(nèi)部；即便極低溫下測試，輸出電流依舊微不足道。研究陷入僵局，肖克利一度焦頭爛額。他馬上請來布拉頓和巴丁，兩人一個擅長實驗設(shè)計，一個精于理論分析，準(zhǔn)備在鍺上繼續(xù)攻關(guān)。

1947年12月，布拉頓在實驗臺上做了一個關(guān)鍵改動：他將一小片金箔貼在鍺晶片上，再用非常鋒利的剃刀在金箔與鍺之間劃出一條極細(xì)的縫隙，形成兩個緊靠的接觸點。當(dāng)?shù)谌龢O接入電壓，鍺中載流子被吸引或排斥時，集電極與發(fā)射極之間的少量電流被迅速放大——于是，首個利用固態(tài)材料的“點接觸晶體管”就此誕生。

可點接觸晶體管的問世，雖然驗證了半導(dǎo)體放大的可行性，但也暴露出工藝上的不穩(wěn)定：金箔接觸點容易移動，壽命短而且參數(shù)散差大。于是三人繼續(xù)攻關(guān)，巴丁和布拉頓隨后改用合金化鍺-鉑結(jié)構(gòu)，使接觸更加牢固；肖克利則提出將整個鍺晶片劃分為三層區(qū)——即發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，形成硅襯底上的平面結(jié)構(gòu)。到了1948年末，平面晶體管工藝基本定型，為后續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

從此，人類的信息科技開始起飛。晶體管的發(fā)明，解決了真空管體積與功耗的瓶頸，讓電子器件走向小型化和高可靠性。它將熱電子發(fā)射的真空空間換成了半導(dǎo)體內(nèi)部的能帶調(diào)控，電子不再飛出外部，而是在晶格中跳躍，響應(yīng)更快、效率更高，也更易集成。

此刻，你可以想象一下，如果把現(xiàn)在這千億個晶體管都換回當(dāng)年的“燈泡”，你還能不能把它握在手上。