工业革命—正传：66.三条腿的魔术师

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。

一个月以后，肖克利发明了一种三明治结构的晶体管，当然你要愿意没你也可以叫“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……