尽管，真空电子管将计算机的发展带入了一个崭新时代，此时机器的运算速度已经远远超出了此前任何时期人们的想象，但电子管本身有着体积大、寿命短、能耗高、不稳定、无法标准化生产等诸多缺点，世界各地的计算机科学家们都清晰地意识到：即使计算机的发展有终点，那也一定不是电子管计算机。

人们为计算机寻求一种更适合的新细胞，很快就迎来了神奇的晶体管。

从半导体到晶体管

我们知道，任何物质都有或高或低的电导率。电导率高到一定程度的是导体，比如金属和电解质溶液；电导率低到一定程度的是绝缘体，比如塑料和橡胶；电导率介于导体和绝缘体之间的就是半导体，比如硅、锗和砷化镓，它们的处境十分尴尬，用于导电效率太低，用于绝缘又不够安全。但从19世纪30年代开始，科学家们陆续发现半导体在通电、加热和光照条件下的一些特殊性质，逐渐开发出其在整流和光电转换方面的能力。然而，这些只是半导体应用的开胃小菜，后厨的科学家们在半导体中掺入一些杂质，意外地发现它变成了导体，效果就像往不导电的纯水中撒一把食盐一样，他们很快调制出一种名为晶体管的秘方，惊艳世界的满汉全席即将开桌。

主厨是贝尔实验室的三位物理学家——约翰·巴丁（John Bardeen）、沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）和威廉·肖克利（William Shockley）。1947年末，他们基于半导体锗组装出第一个具有信号放大功能的点接触型晶体管（point-contact transistor）。不过在审批专利时，美国专利局认为肖克利的研究方向与点接触型晶体管关系不大，便去掉了他的名字。肖克利身为组长却没有得到应有的回报，但他并没有因此而气馁，坚持在半导体领域继续攻坚克难，并在1949年发明出更实用的双极结型晶体管（bipolar junction transistor），简称BJT，真正打开了半导体计算的大门。有人戏说，是坚持者（persistor）发明了晶体管（transistor）。1956年，三人作为晶体管的先驱共同获得了诺贝尔物理学奖。

贝尔实验室的三位物理学家和他们的首个晶体管（1997年复制品）

半导体

BJT的工艺十分精细、复杂，但它的原理并不难理解。晶体管的名称源自制作它的半导体材料是晶体，与非晶体不同，晶体在微观层面有着规则的几何结构。以锗为例，它的晶体结构是经典的金刚石立方结构，原子在立方体的中央，4个外层电子各占一个角，每个外层电子都可以和其他原子的某个外层电子结合成对，形成稳定的共价键，从而组成更大的立方体。

想象一下，每个原子都向外伸出4只手，每只手都握着一个电子，但是手太大，电子又太小，两个电子才能撑满它的一只手。为了寻求满足，它分别和4位友邻牵手，共享手里的电子，这样，每个原子的每只手上就都有了两个电子。这是一个十分稳定的结构，不但原子心满意足，成对的电子也因有了伙伴而乐不思蜀，哪儿都不想去了，因此锗的电导率不高。

晶体的金刚石立方结构

然而，这样的睦邻关系很容易被一些或慷慨或吝啬的外来者所搅扰，比如愿意分享5个电子的磷、砷、锑等，或者只愿分享3个电子的硼、铝、镓、铟等。当锗与前者牵手，多出来的电子就会成为自由电子，由于电子带负（negative）电荷，这种化合物就被称为N型半导体；当锗与后者牵手，电子就不够用了，那些只有一个电子的手上出现了空穴，对临近电子有着很大的吸引力，那些已经成对的电子很容易背叛对方，挪到旁边有空穴的手上，由于空穴带正（positive）电荷，这种化合物就被称为P型半导体。

N型（左）与P型（右）锗化合物结构示意图

将N型半导体置于电路中，自由电子便在原子的缝隙间沿着电压从低到高的方向流动；将P型半导体置于电路中，成对的电子便不断被拆散，去填补电压更高处的空穴，其离去而产生的新空穴则继续由电压更低处的电子来填充。如此，N型和P型半导体都有着较纯锗更高的电导率，但这并不稀奇，直到肖克利将它们靠在一起。

晶体二极管

N型半导体中，接触面附近的部分自由电子会去填充P型半导体中接触面附近的空穴，从而在接触面上形成一个P侧带负电、N侧带正电的电场，这个电场又阻碍了电子的进一步扩散，两个半导体中的电子与空穴达到了一种动态平衡的状态。这个接触面附近的电场区域就是我们常有耳闻的PN结。

PN结

当这块包含PN结的半导体披上玻璃、陶瓷或塑料制成的绝缘外衣，以一跟小管的形象面世，就成了我们常说的晶体二极管。让我们把它放进电路，看看会发生什么。如果P端与电源负极相连，N端与电源正极相连，在电源正极的吸引下，P和N中的电子都堆积到右侧（对于P，这也等效表现为空穴堆积到左侧），PN结的范围扩大，它的电场则阻止了P端的电子越过界线去往N端，电路不通；如果P端与电源正极相连，N端与电源负极相连，在电源正极的吸引下，N中的自由电子顺势填入P中的空穴，再无阻碍，它们并从一个空穴跳到下一个空穴，直至从P端穿出，沿着导线进入电源正极，电路导通。

电路中的PN结

如是，晶体二极管和电子二极管有着相似的单向导通性，P端等同于电子管的阳极，N端等同于电子管的阴极。

晶体三极管

而当我们把两个晶体二极管同极相对时，就得到了三明治结构（PNP或NPN）的晶体三极管。三极管的结构是对称的，当它进入电路，我们会惊讶地发现，由于两个PN结的存在，不论如何调换电源的正负极，电子都无法从中穿越（电路无法导通），下图以NPN为例。

然而，如果在P端和一个N端之间加施加一个足以克服PN结的小电源，它们就构成了一个局部的二极管，电子从左N涌入P，在局部电路中循环。同时，P右侧的PN结在大电源电场的拉扯下变得越来越薄甚至发生极性反转，涌入P的多余电子顺势进入右N，并推搡着右N中的自由电子朝电源正极行进，电路由此导通。

如是，晶体三极管和电子三极管也有着相似的性质，释放自由电子的左N端称为发射极，等同于电子管的阴极，接收电子的右N端称为集电极，等同于电子管的阳极，而P端称为基极，等同于电子管的栅极。

参考文献

• 李彦. IT通史：计算机技术发展与计算机企业商战风云[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005.
• Learn Engineering. Transistors, How do they work ?[EB/OL].
• Wikipedia. Semiconductor[EB/OL].
• Wikipedia. Transistor[EB/OL].