晶体管革命：晶体管如何改变世界
纵观人类历史，一些技术里程碑重新定义了人类进步：农业革命、工业革命以及电的发现。一些发明改变了世界：直流电发电机、灯泡、电话、混凝土、 交流电机/发电机、飞机、火车、汽车、X射线和青霉素。
在编制这些列表时，有一个发明常被忽视：晶体管的发明。本文探讨晶体管的历史，并强调晶体管技术在现代世界中的重要性。
什么是晶体管？
最简单的形式中，晶体管是一种微小的基于半导体的开关，其功能类似于普通的灯开关。晶体管在微观层面上调节或控制电流或电压的流动。现代晶体管由三个电极组成：源极、漏极和栅极。当一个小的电信号施加到晶体管的栅极时，较大的主电信号被允许通过漏极。
各种现代配置允许将不同的一次和二次电压应用于这些引线，这通常取决于所使用的半导体材料。例如，标准的基于硅的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFETS)需要在5V栅极电压和200漏源电压下1000mm*Rds(on)，而氮化镓(Galium Nitride)半导体在相同电压下仅需60mm*Rds(on)（减少16倍）。
晶体管如何使用？
例如，标准的Apple iPhone充电适配器由一个高频MOSFET开关晶体管和一个反激变压器组成。这两个变压器与许多其他无源组件一起配合工作，能够将“杂乱”的输入交流电源转化为“干净”的、经过良好滤波的直流输出电压，用于为iPhone充电。
现代个人电脑由数十亿个晶体管组成。例如，Dell XPS 15 笔记本电脑使用第 12 代 Intel® Core™ i9-12900HK 作为其核心中央处理器 (CPU)。虽然 Intel 不再披露其晶体管总数，但Apple M1 Max CPU 由 570 亿晶体管组成。在使用 CPU 和 GPU 的专业图形渲染计算机中，晶体管总数可能超过数千亿个。
晶体管简史
晶体管的概念基础源于热离子真空管，该管于1907年发明，主要用于无线电技术、电视、雷达和长途通信。这些真空管放大器消耗大量能源，制造成本高昂，体积庞大且笨重，并且非常脆弱。
热离子真空管使用输入信号来控制电极之间的电流流动。真空管需要在真空中加热的灯丝，这消耗了额外的能量，使得它们容易发生灾难性故障。
固态场效应晶体管首次由物理学家Julius Edgar Lilienfeld于1925年在加拿大取得专利，随后于1926年和1928年在美国取得专利。这些专利确定了固态晶体管的原理及其作为热离子真空管替代方案的应用，但Lilienfeld作为晶体管技术的始祖的名声也就止于此。在1920年代，尚未发明制造Lilienfeld概念所需的高质量半导体材料的能力。
第一个功能性晶体管，即点接触晶体管，于1947年由美国物理学家John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley在Bell Labs发明。他们在半导体行为方面的原始研究与Lilienfeld工作中概述的概念有间接关系，但他们在构建场效应晶体管（FETS）方面的失败尝试，导致他们发现并发明了双极点接触和结型晶体管。Shockley于1948年6月申请了第一项双极结型晶体管技术的美国专利。
有趣的是，德国物理学家Herbert Matare和Heinrich Welker在巴黎为Westinghouse的子公司工作，他们在1948年初研究了非常相似的主题。在他们随后的发现和意识到他们在晶体管研究中与Shockley的团队竞赛后，他们于1948年8月13日在法国申请了他们的第一项晶体管专利。
到1950年代初，晶体管已经开始小规模生产，用于无线电通信。在1950年代中期，几项里程碑式的发现和产品相继出现：
- Bell Labs在1954年1月26日开发了第一个可工作的硅晶体管。
- Texas Instruments 于1954年晚些时候制造了第一个商用硅晶体管。
- 第一个晶体管收音机Regency TR-1于1954年10月发布。
- 第一款全晶体管汽车收音机由Chrysler和Philco开发，并于1955年4月28日推出。
- 第一款量产的晶体管收音机Sony TR-63于1957年发布，售出七百万台，使得晶体管收音机在1950年代末和1960年代初被广泛采用。
到1960年代，晶体管技术已经成为一种主导的技术力量。真空管迅速被淘汰。1965年，Fairchild Semiconductor和Intel的创始人Gordon Moore预测，每两年，微芯片上的晶体管数量将翻一番。摩尔定律定义了随时间推移的晶体管密度的线性对数关系。1970年，集成电路大约有2000个晶体管。到2020年，最先进的集成电路已拥有超过100亿个晶体管。
图片来源： Wikipedia
晶体管的全球重要性
在不到十年的时间里，晶体管彻底改变了现代电子学和研究机构。全世界的物理学家都在努力发掘晶体管技术的潜力。
贝尔实验室的William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain因“在半导体方面的研究及其对晶体管效应的发现”而获得1956年诺贝尔物理学奖。这一奖项具有巨大的认可，但对人类和未来技术的影响更为重大。
晶体管已成为全球几乎每个电子设备、电气系统和行业的基础。预计2022年全球半导体芯片行业将突破6000亿美元。
无论您是在澳大利亚的空中交通管制员、比利时的银行家、加拿大的汽车经销商、埃及的教育工作者、法国的农民、新加坡的证券投资者，还是委内瑞拉的视频游戏玩家，您在日常生活中都在使用晶体管技术。晶体管的发明可能是20世纪最重要的发明。没有晶体管，像互联网、手机、现代医学和现代交通等普通的基础技术可能永远不会出现。
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