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,WilliamSturgeon在1825年对电磁石的发展,为JosephHenry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,SamuelMorse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,CyrusField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AlexanderGrahamBell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ThomasEdison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,GuglielmoMarconi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NikolaTesla—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,AmbroseFleming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,LeedeForest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,JohnBardeen和WilliamShockley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,WalterBrattain与JohnBardeen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ETLMark3,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100KHz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。
MaBell是由AlexanderGrahamBell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。