今天給大家介紹一個(gè)小物件-晶體管。

晶體管元年

1947年，中國·國共兩黨正打的熱火朝天，也是在這一年，中共解放了第一座城市、大家猜猜是哪個(gè)城市第一個(gè)解放？而此時(shí)遠在千里之外的美國·貝爾實(shí)驗室誕生了世界上第一支晶體管。正是這個(gè)管子對后世產(chǎn)生了巨大的影響。

發(fā)明晶體管的這3位物理學(xué)家分別為肖克萊博士、巴丁博士和布菜頓博士。他們也因為晶體管的發(fā)明而獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎！

什么是晶體管

晶體管這個(gè)詞相信大家都有所耳聞，但晶體管具體是什么可能知道的就不多了。

晶體管一般指的是晶體三極管，三極管相比大家就比較“眼熟”了吧，它是一種半導體器件（鍺和硅），其主要作用是開(kāi)關(guān)和放大。在結構上，晶體管通常至少有三個(gè)端子用于連接外部電路。

開(kāi)關(guān)

如上圖所示，三極管的電流從C極流入、E極流出，B極是控制極，且C極流過(guò)的是大電流，而B(niǎo)極只需要很小的電流就能控制C極電流的通斷。

比如說(shuō)當B極沒(méi)有電流時(shí)，C極也是沒(méi)有電流的，如果我們給B極加上1ma的電流，那么C極就可以流過(guò)100ma的電流。這時(shí)候就能把小燈泡點(diǎn)亮。這就是晶體管的開(kāi)關(guān)作用。

放大

在點(diǎn)亮小燈泡之后，我們繼續讓晶體管B極上的電流繼續增大2ma，這時(shí)候晶體管C極上的電流會(huì )增大到200ma，在一定范圍之內，B極和C極總是呈現一定的倍數關(guān)系，C極一直比B極的電流大100倍，這就是三極管放大的作用。

為了讓不懂電子的愛(ài)好者也能理解，大家可以把三極管看做成一個(gè)水龍頭，B（基極）是自來(lái)水的閥門(mén)，E(發(fā)射極)是出水口，C（集電極）是進(jìn)水口。我們轉動(dòng)閥門(mén)的圈數可以控制水龍頭的出水的大小，是不是像極了三極管。

晶體管的發(fā)展

看完以上對晶體管的簡(jiǎn)介之后，想必大家對晶體管有了功能上的認知了吧，但好像作用也就很一般，它可以點(diǎn)亮一盞燈、它還可以調節燈的亮度。但這只是一支三極管的作用，如果多了呢？

在C語(yǔ)言中int是整型數據，它可以被賦值0-65535之間的整數（為了簡(jiǎn)單，不考慮負數），這65536個(gè)數占用的二進(jìn)制內存卻只需要16位（2個(gè)字節），也就是16位0和1通過(guò)不同的排列組合，總共有65536種情況。而如果是32位0和1排列組合的話(huà)，就能表示40多億個(gè)整數。

32個(gè)不同的0和1排列組合就可以表示如此多的整數，而0和1可以通過(guò)晶體管的開(kāi)合關(guān)來(lái)表示，那么32個(gè)晶體管這樣排列組合呢？這32個(gè)晶體管通過(guò)控制小燈泡的亮滅也可以表示數據，我們通關(guān)觀(guān)察小燈泡的亮滅的情況也可以知道要表達的數據，不是嗎？

這么看來(lái)，通關(guān)改變晶體管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以代表如此多的數據，那倒是可以用多個(gè)晶體管來(lái)實(shí)現這個(gè)原理，但是問(wèn)題又來(lái)了，當時(shí)晶體管的體積是很“龐大”的，而且在一定體積的電路板上所能放置的晶體管的數量是有限的，最重要的是成本，一塊電路板上放置如此多的晶體管簡(jiǎn)直是天方夜譚。

集成電路

看到這里有沒(méi)有想到這么一種情況，把這32個(gè)晶體管封裝在一個(gè)黑匣子里，它的32個(gè)控制引腳被引出來(lái)，這種設想是不是和和我們的芯片有異曲同工之妙？

因為這就是芯片最初的設想，最開(kāi)始的時(shí)候，是把一個(gè)簡(jiǎn)單的電路封裝到一個(gè)黑匣子里面，可能是8個(gè)電容、3個(gè)電阻、2個(gè)晶體管，把這個(gè)體積龐大的電路，封裝到一個(gè)小黑匣子里，這個(gè)小黑匣子就是集成電路。

集成電路在電子顯微鏡下

因為它的內部就是實(shí)實(shí)在在的電路，只不過(guò)把電路集成到一塊了，在我們看來(lái)他就是一個(gè)電子元器件，這也是芯片的雛形。

基爾比-把晶體管裝進(jìn)芯片

1958年7月，基爾比被美國德州儀器公司錄用，在德州儀器，基爾比記錄了他對集成電路的最初想法，并于1958年9月12日成功演示了第一個(gè)工作的集成電路。此時(shí)的中國正在進(jìn)行滿(mǎn)富理想的大躍進(jìn)活動(dòng)，試圖在短時(shí)間內進(jìn)行生產(chǎn)力質(zhì)的提升。

基爾比在1958年發(fā)明了集成電路，然獲得諾貝爾物理學(xué)獎的時(shí)間卻是在42年之后的2000年。來(lái)德州儀器不到一年、卻做出了如此不可估量的成績(jì)，招聘這種大才有時(shí)候也許只能靠運氣吧。

費德里科·費金-制造出第一顆CPU

如果說(shuō)基爾比是第一個(gè)發(fā)明集成電路的物理學(xué)家，那么真正將集成電路推向高潮的當屬意大利物理學(xué)家費德里科·費金。世界上第一顆CPU就是出自此人之手，即Intel的4004芯片，如下圖所示

費德里科·費金1970年加入英特爾公司，開(kāi)發(fā)了第一臺單片機中央處理器(CPU)——英特爾4004。

在加入英特爾之前，費德里科·費金就有了構建這樣芯片的構想，4004是由Busicom的Masatoshi Shima和Intel的Ted Hoff在1969年設計的，但是費德里科·費金在1970年改進(jìn)的設計使它成為現實(shí)，使之1971年正式投入商用。

即使在今天英特爾的官網(wǎng)還保留著(zhù)4004有關(guān)的信息，為了紀念費德里科·費金、也為了紀念全世界第一塊商用的CPU。有興趣的可以去英特爾官網(wǎng)看看與之有關(guān)的信息。

4004有16只針腳，在其內部封裝了2300個(gè)晶體管，10微米的制程，每秒可以運算9萬(wàn)次，成本低于100美元。而實(shí)現相同的運算速度早期的ENIAC卻需要占用一個(gè)房間的體積，因為內部采用的是真空管，每一個(gè)真空管占用的體積都要比4004的體積要大。

可見(jiàn)晶體管的發(fā)明是顛覆性的。

全球第一個(gè)使用4004芯片的商業(yè)產(chǎn)品是Busicom計算器141-PF。Dave Nutting Associates在1974年為Bally生產(chǎn)的彈球游戲的原型所采用的芯片也是4004芯片。

141-PE

黃金發(fā)展時(shí)期

1831年，法拉第發(fā)現電磁感應現象，確定了電磁感應的基本定律~

但是當時(shí)，一位婦女譏笑他的研究，說(shuō)：

“您的發(fā)明有什么用呢？”

而法拉第反問(wèn)她：“夫人，您新生的嬰兒又有什么用呢？？”

后來(lái)的事情，大家都知道的吧？1866年德國工程師西門(mén)子，根據法拉第的研究成果發(fā)明了可以實(shí)際使用的發(fā)電機~

就如同法拉利的電磁感應一樣，晶體管的發(fā)明在當時(shí)并沒(méi)有產(chǎn)生多么大的影響，但在今后的幾十年間，對世界產(chǎn)生的影響確是翻天覆地的。

1971年,英特爾4004芯片有2300個(gè)晶體管。但到了本世紀的2010年,英特爾處理器內部集成了5.6億個(gè)晶體管。這也基本上符合摩爾定律：集成電路上可容納的元器件的數量每隔 18 至 24 個(gè)月就會(huì )增加一倍，性能也將提升一倍。

受集成電路的影響，蘋(píng)果公司采用6502集成電路開(kāi)發(fā)出世界上第一臺商用電腦Apple II，電腦不再是電子迷的專(zhuān)屬，因為小巧的外殼、簡(jiǎn)單的操作，Apple II開(kāi)始走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，即使是平民百姓。Apple II也是美國教育系統采用的標準計算機，據說(shuō)現在美國的某些機房仍可以見(jiàn)到Apple II。

Apple II

再往后，蘋(píng)果的道路越走越順，雖然其中遇到過(guò)許多曲折，但最終回到了全球市值第一的寶座，在筆者看來(lái)，要想了解近幾十年的電子史，了解蘋(píng)果公司的發(fā)展史就能讓你知道一多半。

第一臺商用電腦是蘋(píng)果發(fā)布的，包括圖形界面，后來(lái)蘋(píng)果的追隨者不計其數，微軟是追隨最成功的一個(gè)，曾一度成為市值最高公司。

如果說(shuō)蘋(píng)果電腦的發(fā)布成就了微軟，因為微軟的操作系統占據了80%以上的市場(chǎng)份額，那么還可以說(shuō)蘋(píng)果手機iPhone的發(fā)布成就了谷歌，在iPhone發(fā)布之后，谷歌便馬不停蹄的發(fā)布了一個(gè)仿制的安卓系統，最終安卓系統占有了市場(chǎng)，iOS只有20%左右的市場(chǎng)份額。

抄襲好了也能占據一席之地，你去看全球股票的排行榜，更多的情況是蘋(píng)果、微軟和谷歌占據著(zhù)榜首。

即使是這些公司全球市值最高公司的載體全都建立在電腦、手機之上，而這些電子設備的大腦是芯片，構成芯片的獨立單元是晶體管?？梢赃@么說(shuō)，是晶體管的發(fā)明，才有了我們現在豐富多彩的生活。

在半導體晶體管與集成電路黃金發(fā)展的幾十年里，中國幾乎沒(méi)有對這方面做出任何貢獻，由于中國當時(shí)落后的經(jīng)濟，那個(gè)時(shí)期的我們國家正在進(jìn)行轟轟烈烈的的生產(chǎn)力的轉化，無(wú)暇顧及這些，導致我國時(shí)有缺“芯”的尷尬場(chǎng)面也在情理之中。

由于晶體管的發(fā)明，造就了芯片（IC），在芯片時(shí)代我們無(wú)所不能，能想到的幾乎都能被芯片與算法相結合創(chuàng )造出來(lái)，甚至打敗人類(lèi)，阿爾法狗便是做好的證明！收音機、錄音機、MP3、手機和電腦這些我們所使用的通電設備，無(wú)一不在使用芯片。

所以說(shuō)，一支管子、改變了整個(gè)世界，一點(diǎn)都不為過(guò)！