光电工程师社区

标题: 晶体管：60花甲宝刀不老！ [打印本页]

作者: gb936 时间: 2007-12-6 23:47
标题: 晶体管：60花甲宝刀不老！
60年前，科学家们在贝尔实验室证明了20世纪最重要的发明：第一只真正的晶体管。

很难说电子时代起源于何时，但是，William Sturgeon在1825年对电磁石的发展，为Joseph Henry在1830年发明粗糙的电报机播下了种子，那是第一个被用于远程通信(1英里)的电气系统。仅仅过了14年，Samuel Morse通过连接华盛顿特区以及巴尔的摩之间的40英里链路发送了一则消息。

尽管那时候电报机的特性简单，令人惊讶的是需求增长相当快。到了1851年，西联公司开始商业运营，也就是在同一个十年内，Cyrus Field通过一根易碎的电缆连接了新旧世界，尽管这根电缆在传输了第一条消息之后起码中断了三个星期。然而，后来的努力取得了成功。瞬间实现的跟大西洋彼岸的通信旋即使这种技术家喻户晓。

尽管Alexander Graham Bell在1875年发明的电话现今仍然受到普遍的赞誉，但是，它成为实用器件还是在Thomas Edison两年以后发明碳麦克风之时。扬声器的语音通过一包碳颗粒进行调制，通过改变电路的电阻，从而把信号发送到接收器。

不久之后，许多发明家提出了无线通信的设想，Guglielmo Marconi在1896年申请的专利以及后续的实证中进行了整理。像电话以及电报机一样，早期的无线电既没有采用CPU、晶体管，也没有采用真空管。Marconi在其它发明家—特别是Nikola Tesla—研究的基础之上，利用高电压和火花隙把电磁波引入一只线圈和天线。那个信号在整个频谱上辐射，以现今的标准看是难以想像地吵杂，但是，它们管用。实际上，泰坦尼克著名的SOS信号就是利用马可尼无线电报公司制造的5KW火花隙装置广播出去的。

电路与电有关，但不是电子电路。

尽管电话信号随着距离的增加而快速退化，与此同时，那时候的无线电设备仍然简陋，通信距离有限。全世界特别强烈地需要能够控制当时新发现的电子的流动的器件。大概就是在那个时候，Ambrose Fleming实现了电流在真空管中不可思议的流动，Edison无意中发现它能够调整交变的电流，这对于检测无线电波恰到好处，因此，他发明了第一只简单的真空二极管。然而，因成本高且灯丝需要大电流，它并没有取得大规模商业成功。

在新世纪的第一个十年，Lee de Forest往电子管的阳极和阴极之间插入一层栅格。利用这种新的元件，电路能够实现放大、振荡和开关。那些就是任何二进制电子电路的基本操作。利用电子管，工程师们认识到他们能够创建具有奇异灵敏度的无线电，通过几千英里的电缆发送语音，并在几毫秒内切换“0”和“1”。在第一次世界大战的四年期间，单单西电公司一家就为美国军队生产了500百万只电子管。到了1918年，美国一年的电子管产品就超过了一百万只，超过战前该数字的五倍。

电子学的诞生

电子学被定义为“解决涉及电子在真空管、气体介质以及半导体中流动的器件和系统的开发及应用的科学，”这个定义几乎与电子管的发明同时出现。然而，那是一个很糟的定义。我认为，电气和电子电路之间的差异在于，后者采用“有源”元件，即执行调整、开关或放大的元器件。第一个真正的有源器件可能是触须线晶体，其中，一点弹性线接触到作为原始二极管的原质方铅矿厚片。但是，我找不到更多关于它们的起源的资料，看起来这些晶体第一次出现的时间应该稍微早于Fleming所做的先驱电子管研究。具有讽刺意义的是，第一只有源元件—早于电子管—是半导体，但是，几乎又花了半个世纪的时间，科学家才宣称“发现”半导体。

无线电最初仅仅采用几只电子管，但是，不久高端设备采用了一打电子管。在1960年代末，我有一台军用剩余的1940年代的RBC无线电接收机，其中，采用了19只电子管。据说，在1940年代它价值2400美元(超过现今的3.3万美元)。

在那时候—现今一如既往—日益增加的性能导致人们不断地迫切需要更多的特色、速度和功能。在第二次世界大战中，雷达的发明对有源电子学产生了更为巨大的需求。一些雷达采用了几百只电子管。或许，真空电子管技术的最高成就是1946年诞生的ENIAC，其中采用了大约1万8000只电子管，这台机器每隔两天发生一次故障。显然，数字技术的来临已经把电子管逼到了极限。人们需要新型的有源元件，这些器件产生的热量更低、消耗的功率大为降低并且可靠性高。

在1956年，John Bardeen和William Shockley赢得了与半导体工作相关的诺贝尔奖。正是在接下来的一年，Walter Brattain与John Bardeen发明了晶体管。虽然一些人声称，这是第一个“实用”的此类半导体器件，但是，贝尔实验室的科学家实际上已经构建了一种点接触晶体管，这是一种不再使用的、难以制造的器件，它从未获得普遍应用。

大概在1950年(来源变化)，Raytheon生产了他们的CK703，这是第一种可商用的器件，它的价格为18美元(相当于现今通胀后的147美元)，而那时候真空电子管的典型价格为每只0.75美元，这简直是无法竞争的。尽管人们急于把点接触晶体管制成为理想的有源元件，但是，人们需要一些更好的器件。

Shockley在1948年已获专利的现代面结型晶体管上继续进行半导体器件的研究工作。三年以后，贝尔实验室展示了器件编号为M1752的器件，尽管它显然仅仅以原型数量进行的生产。

现代晶体管诞生了。它并没有立即给电子行业带来革命性的变化，那时电子行业与电子管的“蜜月期”依旧。到了1956年，日本出现了ETL Mark3，这可能是第一台用晶体管实现的计算机，但是，它采用了130只点接触晶体管，而实际上它是一台无法销售的设备。接下来这一年，IBM开始销售它的608机器，其中，采用了3,000只锗晶体管，那是第一台商用晶体管计算机。与采用电子管的计算机相比，608省电90%。它利用100 KHz的时钟以及9条指令，实现了两个9位BCD数平均11毫秒的乘法时间，此外，它拥有40字的核心存储器，总量为2,400磅。

电话行业对放大器的需求加速了真空电子管的发展，科学家争相研究半导体技术也就不足为奇了。早在1952年，贝尔电话公司就在新泽西安装了第一台晶体管中央局端设备，当时采用的也是点接触晶体管。

Ma Bell是由Alexander Graham Bell创办的，当然，他开始工作时曾任聋人教师，一生中大多数时间均从事为听力弱的人群提供服务的事业。因此，贝尔公司大概在1953年就放弃了绝对领先的晶体管产品—一种助听器—的所有专利权使用费。

老前辈可能记得Raytheon的CK-722，那是第一种商用面结型晶体管。在1953年时，每只的价格大约为7美元，那时这是很昂贵的。我记得上世纪60年代从Radio Shack购买许多晶体管时，常常就有CK-722，或许工厂支持这么做。我不记得价格是多少了，但是，这就是所有的折扣；对于一袋零件，它不可能给一两个以上的最低级品。

到了1955年底，同样的器件的价格下滑到了0.99美元。摩尔定律那时候还没有被发现，但是，电子元器件的无情降价已经开始了，是新兴的半导体技术使这一切成为可能。

最早在1954年，Regency Electronics才生产了第一只商用晶体管收音机(齐名地被称为TR-1)。TI公司为了给它们的新型晶体管寻找市场，与美国国内许多收音机制造商进行了接洽，但是，除了Regency之外，均给予拒绝。一则关于TR-1的当代TI新闻发布稿称，这种新型的元器件是“n-p-n生长的结，也就是锗三极真空管。”这种三极真空管过去是—并且现在仍然是三元件真空管。

到1960年代初，消费者迷恋上了小型收音机(1959年就卖出了500万台晶体管收音机)。那时市场商人—像现在的商人一样—就渴望实现他们的产品的差异化，于是，开始利用收音机中晶体管的数量来促销产品。尽管至少有一家供应商试图构建仅仅采用两管的收音机—实际上很少采用8只以上的晶体管，但是，常常有多达16只晶体管被焊接在电路板上，当然，大多数未被连接。那可能类似于当今的GB之战。有多少iPod所有者接近填满他们的40GB驱动器呢?

现今，分立晶体管似乎几乎像时代错误，尽管它们仍然广泛地用于许多迫切需要的应用之中。成本范围几乎从零到针对某些专用器件的几十美元。与值得尊敬的CK-722相比，相同尺寸的IC可能具有几百万只三极管，每一只三极管花费买家仅仅几毫美分(microcent)。

具有讽刺意味的是，一些困扰真空电子管并导致其接近死亡的问题，现在在晶体管产品中却挥之不去。在1946年，全球所有计算机的容量消耗的功率仅仅为几百千瓦。现今，一座服务器农场就吸取几兆瓦的功率。在2005年，全球的服务器农场需要相当于14座十亿瓦特的电厂供电。据说，谷歌在美国俄勒冈州Dalles的数据中心建设了四层楼高的冷却塔。

晶体管有许多变种，其中，场效应晶体管(FET)是最重要的。FET在1960年由John Atalla在Shockley工作的基础上发明的，它最初是一种新奇的事物。RCA利用FET技术推出了一系列逻辑芯片，但是，因为它们的速度慢，仅仅被用于专门的低功率应用中。每一个人均了解该技术永远取代不了更为有用的面结型晶体管。

现在—当然—FET是数字革命的基础。速度问题得到了解决，而它们的极低功率要求使之可能被成百万地集成到一颗IC之中。

三只电子管的收音机不会产生很多热量，但是，把1万8000只电子管构成计算机，空调系统就会成为一个严重的问题。对于所有类型的晶体管也一样：一颗集成了几百万低功耗FET的IC将会因过热而烧毁。因此，再次具有讽刺意味的是，供应商正在利用像多核这样的不同技术来获得更好的MIPs/mW比率。

与此同时，摩尔完善了第一台真正的电气系统—电报机，Rudolf Clausius把热动力学的第二定律编成了基本思想的法典，它折磨着整个电子学的发展历史。多核可能是、也可能不是现今MIPs/mW问题的解决方案，但是，把大量的低功耗CPU集成到单核上，那么，Clasius定律将再次揭示问题所在。我在晶体管100周年诞辰以前早就怀疑，整个新的低熵技术将被发明。而那些也将开始无情的热调节问题。

相关信息

* 什么是晶体管？
晶体管是半导体三极管中应用最广泛的器件之一，在电路中用“V”或“VT”（旧文字符号为“Q”、“GB”等）表示。晶体管是内部含有两个PN结，外部通常为三个引出电极的半导体器件。它对电信号有放大和开关等作用，应用十分广泛。



  投票数: 6

用户名:  编辑部 2007-12-6 12:49

  评论:  本文来自电子工程专辑网站合作媒体美国CMP网站。
应读者要求，附上英文原文，供大家参考。
At the same time Morse was perfecting the telegraph, the first real electrical system, Rudolf Clausius codified the basic idea of the second law of thermodynamics, which has haunted the entire history of electronics. Multicore may or may not be a solution to MIPs/mW today, but put huge numbers of low-power CPUs on a single core and Clasius's law will surface yet again. I suspect that long before the transistor's 100th birthday entirely novel, low-entropy technologies will be invented. And those, too, will fall to inexorable thermal scaling problems.
Now, of course, FETs are the basis of the digital revolution. The speed problems were solved, and their extremely low power requirements made it possible to pack millions on to a single IC.
A three tube radio didn't generate all that much heat, but group 18,000 into a computer and the air conditioning system becomes a significant problem. The same holds true for all kinds of transistors: a single IC with hundreds of millions low-power FETs will thermally self-destruct. So, ironically once again, vendors are grappling with different technologies like multicore to get better MIPs per milliwatt ratios.
Ironically, some of the problems that plagued vacuum tubes and lead to their near-demise now haunt transistorized products. In 1946, all of the computer capability in the world consumed a few hundred kilowatts. Today a single server farm sucks many megawatts. in 2005 server farms worldwide needed the equivalent of 14 one-gigawatt power plants. Google's data center in The Dalles, Oregon reputedly has cooling towers four-stories tall.
Transistors come in many varieties, the field-effect transistor (FET) being the most important. Invented in 1960 (drawing on Shockley's work) by John Atalla, it was at first a novelty. RCA introduced a series of logic chips using FETs, but they were used only in specialty, low-power applications due to their low speed. Everyone knew the technology would never replace the much more useful junction transistor.

EECOL_2007DEC06_EDA_MFG_NT_12.jpg (14.17 KB, 下载次数: 30)

欢迎光临光电工程师社区 (http://bbs.oecr.com/)