正传：66.三条腿的魔术师
先告诉大家一个消息，我们科学声音的旭东老师很快就要推出他的第一部视频作品啦，名字叫《原样思维》，我先剧透一下，第一集就跟大家掰扯一下是“鸡生蛋”还是“蛋生鸡”的问题。我看到了初稿，非常棒，先跟大家透露一下，非常值得期待。
目前节目还在全力以赴的制作之中，大家还是要耐心一点。我们科学声音的各种音频视频越来越多，我们最近把各个公号的菜单和内容都好好地整理了一遍，把科学声音成员的所有作品都列了上去。
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上文书说到了计算机的发展历程。要知道电子管的可靠性并不好。灯丝容易断，上万只电子管，坏上几个就必须停机更换，而且开机也不能马上就用，需要等电子管烧热了，才能进入正常的工作状态，效率比较低。这些问题都改如何解决呢？其实工程技术人员的办法还是有不少的。比如说把电子管做小一点，过去曾经出现过一种花生管。顾名思义尺寸和花生米差不多。电子管也不是全都傻大黑粗的，但是电子管再想缩小已经不可能了。要想取得突破，必须放弃电子管。
微型电子管
但是，真的有国家对电子管不离不弃。1976年，苏联一架米格25叛逃到了西方，从远东地区起飞，飞到了日本的函馆机场降落。这架飞机强调高速性能，希望能拦截美国三倍音速的轰炸机B70，高速下空气和飞机蒙皮的摩擦会非常剧烈，飞机蒙皮会严重发热，会被烧软，除非用钛合金来解决问题。苏联人真是战斗民族，人家用了合金钢。
美国记者在参观那一架叛逃的米格25的时候发现机翼上生锈了。拿了一块吸铁石一吸，真的吸上去了，惊得人家下巴都快掉下来了，真是铁的啊。美国人从上到下把这一架米格25拆了个遍，又一次被惊得目瞪口呆。这架飞机的电子设备还真的都是“电子设备”，全都是电子管的。这都是什么年头的老古董了？这简直是一只火鸡，一堆渣滓。
米格25截击机
当然，飞机最后不得不还给苏联，不过是拆散了装在木箱里还回去的。
美国人这边走的是晶体管路线。主要还是西方国家的而各项工业门类不但非常的齐全，而且水平都很高。晶体管的研发起步也很早，毕竟矿石检波器其实就是一个天然的二极管，早期晶体管其实也差不了多少。早在1938年，德国人就把电极插进溴化钾晶体，实现了对电流的放大。但是这个最原始的晶体管的工作频率只有1赫兹。基本无法应付交流电。也就是说，用这种东西来做收音机的主要元件是不行的。
差不多就在同一时期，贝尔实验室的研究人员在寻找更好的检波材料，他们发现，如果着晶体掺杂了微量的杂质，性能不仅优于矿石晶体，还在某些方面优于电子管整流器。二战期间，不少实验室都在研究硅、锗材料的制造，他们也取得了不少的成果，这就为后来发明晶体管奠定了基础。
当时贝尔实验室在这方面是比较领先的。贝尔实验室是一个非常了不起的实验室。有很多划时代的发明就是从贝尔实验室走出来的。比如1933年央斯基发现了来自太空的射电信号，他也就成了射电望远镜的发明者。贝尔实验室也是UNIX系统的发源地，当然还包括C语言和C++语言。到现在为止，一共是9次15人获得诺贝尔奖。
巴丁、肖克利、布拉顿
在40年代末，贝尔实验室召集了几位科学家进行技术预研。研发组长是肖克利，手下有巴丁和布拉顿。肖克利和巴丁是搞理论物理的，布拉顿是搞实验物理的。一开始肖克利比较倾向于金属半导体结构，但是失败了很多次，后来巴丁认识到半导体的表面缺陷是个大问题，所以必须找到“钝化”表面的方法。就是设法消除这些缺陷，后来问题解决了。到了1947年的12月，他们成功的制造了一个晶体管。这个晶体管可以把信号放大100倍，尺寸比火柴棍大不了多少。体积非常小，而且也不需要灯丝，用起来很方便。这种晶体管是一种点接触型晶体管，一块掺有微量杂质的锗晶体表面装上去几个触点，这就形成了一个三极管，能够起到放大信号的作用，其实与矿石和检波器是一码事。只是矿石的杂质是天然的，不好控制，而且要触点也很不好找。这种依靠触点形成的三极管自身噪音很大，而且没办法承受大功率。你想啊，触点非常小，承受的电流也就很小。
第一只晶体管（原件在贝尔实验室）
一个月以后，肖克利发明了一种三明治结构的晶体管，当然你要愿意，也可以叫“肉夹馍”结构。中间是一层P型半导体，两边是N型半导体。只要在中间加上微弱的电流，就可以控制总电流跟着变大变小。所以也就起到了放大信号的作用。那么晶体管的原理到底是什么呢？说起来很复杂。
硅元素和锗元素的最外层都是4个电子。假如我们把磷元素作为杂质掺杂进去。磷元素的最外层有5个电子，在一大群硅原子之中，这里显然多了一个电子。这就是所谓的“N型”半导体。反过来，我们在晶体之中掺杂一点硼元素，硼元素的最外层只有3个电子，在硅原子的海洋里，这里明显出现了一个坑，这就叫做“空穴”。这就是所谓的“P型半导体”。
那么我们把P型半导体和N型半导体做在一起，形成一个PN结。这个结构就具有单向导电性。让一边多余的电子过去填充空穴，当然没问题。但是反过来就不行了，这就是单向导电性的由来。当然我们还可以构造成三明治结构，比如PNP或者NPN，中间的电极就起到了控制的作用，这就是三极管。三极管号称叫“三条腿的魔术师”。
我们说起来简单，其实这只是通俗化的表达，半导体是基于能带理论的。能带理论是基于量子力学的，成千上万的原子排列在一起，你是不可能用波函数去慢慢算的，必须从整体上给出一个理论来计算，也就是能带理论。原子晶体就好比森林，电子就像撒欢的孩子在到处流窜，想想就头大。
接触型的半导体没有使用价值，但是结晶型的半导体是可以大批量生产的，也就是所谓的三明治型。半导体开始在电子行业内开枝散叶，进入越来越多的领域。1956年，肖克利、巴丁、布拉顿获得了诺贝尔物理学奖。这是贝尔实验室的第一个诺贝尔奖。下一个诺贝尔奖是1978年，彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景辐射，那一架大天线我还去专门拜访过。
史密斯和威拉德
1969年史密斯和威拉德共同发明电荷耦合组件，他们获得2009年诺贝尔物理学奖。说电荷耦合组件可能大家不知道是什么东西，但是英文缩写“CCD”恐怕是大家都知道。正因为他们的发明，胶卷被淘汰，柯达公司因此走了下坡路。现在每个手机里面都有一个感光成像器件，这项技术已经渗透到了我们的生活之中。
我们要特别说一下巴丁，这个人极端低调，哪怕肖克利用行政权力来抢功劳，他也没有怨言。不过他还是收拾行李，离开了贝尔实验室。他是少有的拿了两次诺贝尔奖的人，一次是因为半导体，一次因为超导体。
巴丁两次获得诺贝尔奖
超导体为什么会在低温下完全失去电阻呢？这个问题爱因斯坦没能解决，费曼也没能解决。当时这个现象被称为“理论物理学的耻辱和绝望”。正是巴丁带着库珀和施里弗，3人一起搞定了这个问题。而且他还给两位后辈流出了足够的空间。各种公开露面的场合都让他俩去，他自己从来不露面。哪怕是推荐诺奖候选人，没也没把自己算上。他觉得自己拿过一次了，机会还是给别人吧，但是诺奖委员会把奖给了他们仨。这也是对巴丁的最高奖励了，太不容易了。
我们还是扯回来，书归正文。三极管被发明之初，价格还很高，晶体管一开始只进入了一些特殊领域，比如说助听器。晶体管的体积小巧，用在这里非常合适。后来民用领域也开始大规模应用晶体管技术。第一台晶体管收音机诞生于1954年，过去收音机都是电子管的，管子越多性能越好，都用晶体管，22管8波段，那简直是高大上了。在我国，半导体几乎成了收音机的代名词。用皮革做一个外套，背在身上可以当随身听，别提多帅了。更小巧一点的，可以放在衣服口袋里。电子管的收音机你打算背在身上吗？你不怕累死啊。
世界上第一台晶体管收音机
当时的计算机也开始晶体管化，晶体管的寿命是电子管的20倍，晶体管是固体器件，可以耐受冲击。体积比真空管小几十倍，即便是和花生管相比，也要小个6~7倍。假如是简单的收音机，那么优势并不明显，毕竟电子管的音质和音色都强于当时的晶体管。但是计算机动辄就是上千的电子管，全部替换成晶体管，效果是及其显著的。
响尾蛇导弹的最初原型
不仅是在计算机领域，在军事领域晶体管也有优势。正是因为晶体管的体积小巧，耗电量低，因此可以装到导弹上作为引导头的核心组成部分。最开始的响尾蛇导弹只有7个电子管，我们可想而知，这7个电子管够干什么用的啊！根本没办法做复杂的信息处理。使用晶体管，既可以把电子设备做得足够的强大而又没多大的体积。所以说晶体管的出现是一场革命，原本没法电子化的东西，现在有可能电子化了，电子设备开始向方方面面普及。
肖克利在1955年离开了贝尔实验室，他搬家回了老家圣克拉拉县的山景城和母亲住在一起，就在旧金山湾区附近，离斯坦福大学不远，如今那里最出名的公司是Google。
肖克利获得诺奖以后，拉着手下人一起庆祝
肖克利他利用自己的名气，创建了自己的公司，招来了一群青年才俊。一个个都不到三十岁，思想活跃，而且斗志昂扬。有拿了两个博士学位的学霸，也有来自大公司的工程师，还有著名大学的研究员和教授。他们加入肖克利半导体公司，根本就没考虑工作环境、条件和待遇，那为啥呢？情怀啊！一切只为了情怀，是为了能实现理想和抱负。他们也注定会改变这个世界。
肖克利是个不错的科学家，但是他不是个很好的企业家，他脾气暴躁，管理上一塌糊涂。其实，人无完人，这也并不是什么致命缺陷。完全是可以通过团队合作来弥补的。但是肖克利最大的也是最致命的缺陷是他不认为自己有缺陷。他甚至疑神疑鬼的用测谎仪对员工进行测试。一帮青年才俊一个个都心高气傲，谁吃你这一套啊。这还不是压死骆驼的最后一根稻草，当肖克利决定停止研发硅晶体管的时候。这7个人绝望了。他们下定决心“开路了”。这7个人写了一份商业计划书，开始自己通过各种关系自己去拉投资。
亚瑟·洛克—风险投资之父
这一份商业计划书辗转落到了海登斯通投资银行员工洛克的手里，他觉得有戏。他说服了他的上司去见见这7个毛头小伙子。于是他们就坐飞机飞到旧金山来见他们。这个亚瑟·洛克日后可是美国科技投资史上的传奇人物（被誉为风险投资之父），英特尔和苹果的诞生都和他有关。洛克一看这7个人，全都技术宅。没有一个是擅长管理的。一个企业不能全是技术宅啊。大家一商量，最适合的管理者恰好就是那个对肖克利忠心耿耿，不离不弃的那个诺伊斯。于是，这7个人派出罗伯茨作为代表去说服诺伊斯。
罗伯茨拼命拉拢诺伊斯，当时诺伊斯也实在是对老板肖克利忍无可忍了，老板肖克利弄得他和诺奖级别的成果擦肩而过。既然忍不下去，也就无需再忍。这8个人挤在一辆小破面包车里面开到了旧金山市区，找洛克和他的老板科伊尔谈判。谈来谈去，最后谈成了。但是协议还没拟定呢，没法当场签协议。于是科伊尔拿出一张一美元的钞票，让他们在钞票上签字。8个人就围着钞票上华盛顿的头像签了一圈。这张钞票如今被保存在了斯坦福大学，这是历史的见证。
1957年的9月18号，这日子好记。9.18事变26周年纪念日。这8个人找老板肖克利辞职，肖克利还一点都不知道呢。坏消息老板往往是最后一个知道的。肖克利的脾气火爆，当场破口大骂，骂他们是逆贼。所以这个8个人又号称“8叛逆”。不过很快他们8个人又会得到另外一个响亮的称号：“八仙”。
8个人找到了仙童集团，他们组建的这个公司作为仙童集团的下属公司，叫做“仙童半导体公司”。海登斯通投资银行占了225股，8个人每人100股，剩下300股留给日后的管理层。所以他们又得了个新外号叫“八仙童”。当然我们中国人就直接叫“八仙”算了。
八仙童
公司的地址离开肖克利的公司不远，旁边还有一家创建于车库里的著名公司，不是苹果，是惠普公司，惠普也1939年创建于车库的。所以大家明白这个模式了吧，肖克利的公司作为一颗种子种下去，在旁边开花结果了。别忘了公司企业的人员流动是很频繁的。他们的手下会不断的跳槽，不断的创业。选址基本上也就在圣克拉拉山谷之中，就如同分裂的细胞一样在不断的增殖。假以时日，此地必定会成为世界半导体工业的大本营。
就在1957年，出了一件大事，对美国人刺激很大。那就是苏联人发射了第一颗人造卫星，美国人被刺激的不行了，他们决定奋起直追。他们的火箭技术是落后于苏联的，运载能力差一截。所以美国人就拼命减轻重量。再用大灯泡电子管是肯定不行的，于是在军事项目的刺激之下，美国的晶体管有了巨大的进步。可以说是迅速的白菜化，到处都有晶体管。
美国第一颗人造卫星
当时很多晶体管都是用锗作为主要材料的。当时还没办法提炼高纯度硅，所以锗的优势比硅要大，苏联就走了这条道路，但是在温度急剧变化的环境下，锗晶体管的表现不好。所苏联在人造卫星上、战斗机上还是选用了电子管。美国人在第一颗人造卫星上使用的是锗晶体管。苏联人要是用晶体管的话，进度是来不及的，因此他们果断的使用了电子管。他们的电子管已经是改良过的，性能非常优异，苏联的卫星领先了美国了4个月升上了太空。从此苏联就走岔了道，点歪了科技树，和西方国家渐行渐远了。大家也就明白，为什么米格25飞机上用的都是电子管了。
其实也不能怪苏联人，苏联发展晶体管尽管比欧美慢了一拍。发展过程之中，西方国家碰到的问题，苏联也会碰到。他们也觉得锗比硅好用。特别是锗晶体管的高频性能很好，特别适合国防工业尖端电子设备。当时的人都没办法想象，硅元素会实现逆袭。其实是美国人自己也没想到。这种不起眼的遍地的沙子里都有的元素居然如此的强大。
那么，硅是如何实现逆袭的呢？我们下次再说…