一份寫給媽媽的晶體管介紹
我媽媽是我小學的圖書館管理員，管著很多很多書，因此小時候我一直覺得她是世界上最有知識的人。長大後我知道了，雖然她對待工作盡職盡責，但不是無所不知。於是我決定從晶體管開始，寫一些簡單的介紹，讓我的母親（和其他無專業背景的人一起），能夠對我所從事半導體行業有一點了解。
1.晶體管長啥樣？
就是下面這個小東西
2.晶體管為什麼出現？
故事要從位於美國賓夕法尼亞州的費城說起，費城（Philadelphia）位於美國賓夕法尼亞州東南部，緯度上大概和北京差不多，是美國最老、最具歷史意義的城市之一，在華盛頓建市前曾是美國的首都，因此在美國史上有非常重要的地位。
在這所美麗的城市裡，有一所著名大學--賓夕法尼亞大學。在1942年的某天，大學裡來了幾個穿軍裝的人。
時值二次世界大戰，放眼世界，英法被德國人錘的丟盔卸甲，蘇聯更是被打到老媽都不認識，由於珍珠港事件，美國被迫倉促對法西斯宣戰，卻根本沒準備好。
而咱們這，正在打艱苦的抗日戰爭
難怪新四軍這麼厲害，原來他們抗戰中都用AK47的@抗日神劇
當時各國戰事頻繁，最普遍使用的武器就是各種大炮。
大炮要射中目標是需要很多射表的，每張射表都要計算幾百條彈道，而每條彈道的數學模型都是一組非常複雜的非線性方程組。這些方程組是沒有辦法求出準確解的，因此只能用數值方法近似地進行計算。
彈道計算模型
不過即使用數值方法近似求解，也是一件不容易的事！按當時常用的計算工具比如算盤，就是200多名計算員加班加點工作，也大約需要兩個多月的時間才能算完一張射表。在「時間就是勝利」的戰爭年代，這麼慢的速度怎麼能行呢？恐怕你還沒算完，仗都打完了。
所以賓夕法尼亞大學的四個科學家提出了試製第一台電子計算機的初始設想——「高速電子管計算裝置的使用」，期望用電子管代替繼電器以提高機器的計算速度。
電子管實物圖
美國軍方得知這一設想，馬上撥款大力支持，成立了一個研究小組開始研製工作。預算經費為15萬美元，這在當時是一筆巨款。要不是為了戰爭，誰能捨得出這麼大的一筆錢！雖說戰爭萬惡，但偶爾也會促進科技的發展。
研製過程中有人中途加入，那就是後來被人們稱為「計算機之父」的數學家馮·諾依曼（von Neumann）。這老哥本是搞原子彈研製的，原子彈研製（1944年）過程中遇到大量計算問題，因此他就過來看看，你們幾個啥時候能把這電子計算機做出來。過來一瞅，他覺得還挺有意思，就加入研究團隊了。
馮?（地中海）?諾伊曼博士（霧）
馮?諾依曼博士可不是一般人，看完給出兩個建議：第一，建議採用二進位；第二，採用馮·諾伊曼結構。這兩個想法至今還在用，現在你拆開身邊的電腦或手機，不論多麼新潮多麼先進，你仍能看見馮·諾伊曼結構，即它們由運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出設備組成。
研究組成員根據這兩個指導思想，終於做出了一台電子計算機--埃尼阿克（Eniac）。
雖然Eniac運算速度不過幾千次，還比不上現在市面上最垃圾的山寨手機，但是卻體積龐大，耗電驚人。他有六個大象那麼重。
注意，我們說的這個計算機始祖不是圖中的哪一樣東西，而是整間屋子加起來才是這個電子計算機。
是什麼讓這位計算機始祖輕盈到現在這樣了呢？不錯，就是晶體管。
世界上第一個晶體管模型
3.晶體管究竟是個啥東西？
大家都知道，我們身邊的東西根據會不會被雷劈分成兩類，一類是會被雷劈的，我們叫他裝逼犯，啊呸，叫它導體；另一類不會被雷劈的，我們叫它絕緣體。
有這麼個東西，它比較狡猾，讓它做導體就能做導體，讓做絕緣體就能做絕緣體。哪邊有好處，它就去哪邊。它就是半導體。
我們看上面這張元素周期表，黃色全是金字旁的字，它們都是金屬，我們姑且稱他為鐵頭娃戰隊；青色的就是他們的反對派--絕緣體，還是根據偏旁，我們叫它石汽水戰隊。
鐵頭娃戰隊比較會來事兒，和「電」這個小婊砸打的火熱；石汽水戰隊卻非常高冷，不許「電」過來碰它。而我們雞賊的半導體就不這麼愛恨分明，想來電就來電，不想就不來，日子簡直，美滋滋。
這個半導體就是構成我們晶體管的主要材料，它雞賊的性質讓晶體管能實現最基本的功能，就是做一個開關。
任何電路里都要有開關，就像你開燈這個簡單的行為，實際上就是控制了開關的通斷。
開燈示意圖
而之前我們用的機械開關，比較呆，需要人按動，這就費時費力。
機械開關原理圖
有了半導體，通過電壓我們可以控制它導電還是不導電，從而控制了電路的通斷，就實現了開關的功能。此外，我們還能以此實現許多邏輯運算，所謂集成電路（IC）也就這麼做出來了。
4.晶體管和我有什麼關係？
1947年，我們解放戰爭打到了第二個年頭，解放軍開始由戰略防禦轉入戰略進攻，國民黨反動派正式走向了滅亡的第一步。此時大洋對岸的美國，紐約的街頭，人們對共產黨在中國取得的勝利憂心忡忡，不少人都在擔心美國正在失去中國，呼籲政府進行武裝干涉。
沒人注意到，美國貝爾實驗室正成功演示了第一個基於鍺半導體的、具有放大功能的、點接觸式晶體管，這標誌著現代半導體產業的誕生和信息時代的開啟。晶體管可以說是20世紀最重要的發明之一，到今天已經整整70年了。
就這麼個小東西，卻有非常多優點。首先它極為耐用，比原來用的電子管耐用100~1000倍，稱得起永久器件的美名；其次，它可以做到非常小，因此省材料省電，便宜且便於集成。
僅由七個原子組成的量子點晶體管，
http://tech.sina.com.cn/d/2010-05-26/09484232730.shtml
就說省電，像家裡的晶體管收音機，只要幾節乾電池就可以半年一年地聽下去；而要說尺寸，很難想像，指甲蓋那麼小的一塊晶元里，卻有幾十億個晶體管。這就像威廉·布萊克的詩里說的一樣：
一沙一世界，
一花一天國。
掌中納無限，
剎那變永恆。
由於晶體管的出現，我們的生活發生了天翻地覆的改變，那些你感覺從來不會看到的景色，那些你覺得終生不會遇到的人，正一步步向你走來。
5.展望未來
當年，英特爾發布了其第一個微處理器4004。4004規格為1/8英寸 x 1/16英寸，包含僅2000多個晶體管。
Intel 4004處理器
如今，超大規模集成電路能集成超過50億個晶體管在一塊晶元上。
現在晶體管器件尺寸越來越小，將面臨量子效應的挑戰，希望我們能迎難而上，再創輝煌。
最後，希望我的母親能夠對晶體管乃至半導體業有基礎的了解，免得以後我過年回家只有逼我結婚這一個話題可以聊。
參考文獻：
1. 《半導體的故事》, 約翰·奧頓著, 姬揚譯, 中國科學技術大學出版社, 2015 年。
2. 《1946年2月14日 世界上第一台計算機誕生》．人民網．2003-08-01
3. 《ENIAC: Celebrating Penn Engineering History》．賓大官網
4. Riordan, M., and L. Hoddeson, Crystal Fire: The Birth of the Information Age (W. W. Norton, New York, 1997).
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