1947年
12
月
23
日，美國貝爾實驗室正式地成功演示了第一個基於鍺半導體的具有放大功能的點接觸式電晶體，標誌著現代半導體產業的誕生和資訊時代的開啟。
電晶體可以說是
20
世紀最重要的發明，到今天已經整整
70
年了。
電晶體的誕生
在電晶體誕生之前，電訊號的放大主要是透過電子管（真空三極體
）
。這種器件是
1907
年由德福雷斯特
（L。 Forest ）
發明的，其實質是在
1904
年弗萊明
（J。 Fleming）
發明的真空二極體的陰極和陽極之間添加了另一個電極
（
所以稱為“三極體”
）
，從而實現了電流的放大功能，後來又因為“反饋”概念的引入而進一步改善了器件效能。真空三極體製作起來很困難、壽命很短，而且體積大、耗能高、易損壞，嚴重限制了其應用範圍，人們一直希望能夠用固態器件來替換它。一個簡單的想法
（
但是在當時很難實現
）
就是，往半導體整流器
（
二極體
）
裡放置一個柵極。
1938
年，德國的希爾什
（R。 Hilsch）
和珀爾
（R。Pohl）
把三個電極插入溴化鉀晶體裡，成功地演示了第一個基於色心的電晶體模型，可惜其工作頻率只有
1Hz
甚至更差。此後，其他人也做過一些嘗試，但是都沒有成功。
1945年，貝爾實驗室計劃針對幾種新材料
（
包括矽和鍺
）
進行有目標的基礎研究
（
類似於我們現在說的“ 應用基礎研究”
）
，以瞭解其潛在的應用前景。為此成立了“半導體小組”，肖克利
（W。 Shockley）
是組長，成員包括巴丁
（J。 Bardeen）
和布拉頓
（W。Brattain）
。肖克利和巴丁都是理論物理學家，而布拉頓則是實驗物理學家。
起初的工作是基於肖克利偏愛的金屬-半導體結構，在多次嘗試失敗之後，巴丁認識到半導體的表面缺陷有著非常不利的影響，必須找到“鈍化”表面
（
消除缺陷
）
的方法。
從
1947
年
11
月起的短短几個月時間裡，他們取得了重大的進展，終於實現了第一個半導體電晶體。
實際上，這個時期發明了兩種全然不同的電晶體：巴丁和布拉頓在1947年
12
月發明了點接觸式電晶體，把間距為
50
μ
m
的兩個金電極壓在鍺半導體上，微小的電訊號由一個金電極“
（
發射極”
）
進入鍺半導體“
（
基極”
）
、被顯著放大，並透過另一個金電極“
（
集電極”
）
輸出，這個器件在
1kHz
的增益為
4。5
；一個月後，肖克利發明了三明治結構的雙極性結式電晶體，最外面的兩層是
N
型半導體，中間則是
P
型半導體，但是直到
1950
年，蒂爾
（G。 Teal）
和斯帕克斯
（M。 Sparks）
才製作出鍺基
NPN
結式電晶體。
從實用的角度來看，點接觸式電晶體的產量非常有限，不能算是商業上的成功；結式電晶體卻使得現代半導體工藝成為可能，為許多半導體公司的興起做出了重大貢獻。
1956年，巴丁、布拉頓和肖克利因為電晶體的發明而獲得了諾貝爾物理學獎。
國際半導體科技的發展
從20世紀
50
年代起，電晶體開始逐漸替代真空電子管，並最終實現了積體電路和微處理器的大批次生產。
起初，電晶體和電晶體化的裝置並不受歡迎，因為它太貴了。但是美國軍方很感興趣，因為軍用裝置對便攜性、可靠性和耐用性有著特殊的要求。在50年代的大部分時間裡，正是美國軍方的支援才讓年輕的電晶體產業生存下來。
1957
年，蘇聯衛星“斯普尼克”上天，正式掀起了美蘇太空競賽的序幕。
1961
年，美國肯尼迪總統宣佈“在
1970
年以前把人送到月球上”。與蘇聯相比，美國的火箭技術略微落後一些，所以減輕重量就更有必要了，所有的電子裝置都儘可能地使用電晶體。以電晶體為基礎的半導體產業也因此而突飛猛進。積體電路成為了這個時期的主角。
在電晶體誕生以後的十年裡，出現了很多新型的電晶體。1950年，日本的西澤潤一
（J。 Nishizawa）
和渡邊寧
（Y。 Watanabe）
發明了結式場效應電晶體
（JFET）
。
1952
年，基於電晶體的助聽器和收音機就投入市場了。
1954
年，貝爾實驗室的坦恩鮑姆
（M。Tanenbaum）
製備了第一個矽電晶體；同一年，跳槽到德州儀器公司的蒂爾實現了商業化的矽電晶體。
1956
年，通用電氣公司發明了閘流體。在這個時期，電晶體化的電子線路是透過導線把單個半導體元件連在一起的，已經初步展示了半導體器件的威力。以電子計算機為例，第一臺通用電子計算機
ENIAC
是在
1946
年投入使用，
1956
年退役，它使用了大約
2
萬根真空三極體，佔用了一間大房子
（167
平方米
）
，耗電
150kW
，計算能力僅為每秒鐘進行
5000
次加減法
（20
位的十進位制數
）
。
1954
年，貝爾實驗室開發了第一臺電晶體化的計算機
TRADIC
，使用了大約
700
個電晶體和
1
萬個鍺二極體，每秒鐘可以執行
1
百萬次邏輯操作，功率僅為
100
瓦。
1955
年，
IBM
公司開發了包含
2000
個電晶體的商用計算機。
單個半導體元件雖然很有用，但是，如果能夠把幾個電晶體結合在同一塊半導體材料上，肯定會更有用的。在20世紀
50
年代，很多人都有了這個念頭，但是第一個實現了這個想法的是德州儀器公司的基爾比
（J。 Kilby）
。
1958
年
9
月
12
日，他製作了第一個鍺片上的積體電路，其中的電晶體和被動元件是用金絲連線起來的。
1959
年，仙童公司的諾伊斯
（R。 Noyce
，他後來創立了英特爾公司
）
提交了平面工藝的專利，用鋁作為導電條製備積體電路。從此，積體電路的時代開始了。
2000
年，基爾比因為發明了積體電路而榮獲諾貝爾物理學獎。
接下來的十年，電晶體的進展就更加迅猛了。簡單舉幾個例子吧。1959年，貝爾實驗室的卡恩
（D。 Kahng）
和艾塔拉
（M。 Atalla）
發明了金氧半導體場效應電晶體
（MOSFET）
，這是
1925
年李林菲爾德
（J。 Lilienfeld）
提出的場效應電晶體概念的具體實現；
1967
年，卡恩和施敏
（S。 M。 Sze）
製作了浮柵型
MOSFET
，為半導體儲存技術奠定了基礎。
1965
年還發生了一件大事，仙童公司的摩爾
（G。 Moore
，他也是英特爾的創始人之一
）
提出了摩爾定律
（Moore
’
slaw
）
：積體電路上可容納的元器件的數目，約每隔
18
~24個月便會增加一倍，效能也將提升一倍
（
摩爾定律起初說是每年翻一番，十年後改為兩年翻一番
）
。這個定律本來是描述此前半導體產業發展的經驗公式，結果竟然奇蹟般地揭示了此後五十多年資訊科技進步的速度。為了協調半導體產業的發展，從
90
年代起，國際半導體產業界開始籌劃研究路線圖，包括美歐日韓及中國臺灣等半導體產業發達的國家和地區。從
1998
年開始，半導體技術國際路線圖
（International Technology Roadmap for Semiconductors）
每兩年釋出一次。然而，
2016
年釋出的新的路線圖，首次不再強調摩爾定律，而是超越摩爾的戰略
（More than Moore strategy）
：以前是晶片先行、應用跟隨
（
應用跟著晶片走
）
，今後則是晶片為應用服務。
自摩爾定律（積體電路晶片上所整合的電路的數目，每隔18個月就翻一番）誕生以來，半導體科技和產業的發展日新月異、突飛猛進。1969年，貝爾實驗室的博伊爾
（W。 Boyle）
和史密斯
（G。 Smith）
發明了電荷耦合器件
（CCD）
，並最終引發了照相技術的大革命，使用了一百多年的照片被淘汰了，每個人的手機上有攝像頭了。
1971
年，英特爾公司推出了第一批
4
位的商用微處理器
Intel 4004（
具有
2300
個電晶體
）
，
1972
年更是推出了
8
位的商用微處理器
Intel 8008（
具有
3500
個電晶體
）
，起初是導致了袖珍計算器的普及，進而導致了個人電腦的出現。
1976
年，克雷公司推出了
Cray-1
超級計算機，運算速度達到了驚人的
2。5
億次。此後，蘋果個人電腦、
IBM
相容機、網際網路的出現和發展，終於把我們帶到了大資料的時代，發生在
2016
年的兩大代表性事件就是：阿爾法狗
（AlphaGo）
戰勝圍棋世界冠軍李世石；“神威·太湖之光”奪得超級計算機世界排行榜的第一名，每秒可以實現
9。3
億億次的浮點運算。
透過電晶體誕生以來國際半導體科技發展的七十年曆史，我們不難看到，基礎科學研究對國民經濟和國防安全有著重大意義，而科技產業的需求反過來又進一步推動了基礎科學研究的進步，2014年獲得諾貝爾物理學獎的白光
LED
就是一個很好的例證，而且正在為全球性的節能減排工作做出重大的貢獻。
本文刊登於《發現》雜誌(企業智庫版)2018年6月刊，原文摘自“電子說”網站