晶体管:60花甲宝刀不老!

2007-12-06 08:31:37来源: 电子工程专辑

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。

关键字:通信  电路  有源  接收

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