你真的懂晶体管吗？

晶体管，或许是20世纪最重要的发明。

如果没有晶体管，生活将会截然不同。首先，就不会有个人电脑或手机，也就没有亚马逊、电子游戏、约会软件、即时通讯、流媒体、社交媒体、Apple Pay 或谷歌地图，甚至连人工智能（嗯）也无从谈起。汽车里就装有数十亿个晶体管。它们真的无处不在。那么，晶体管究竟是什么呢？

要了解这项关键技术的最佳方法是追溯其发展历程，一直追溯到 19 世纪电报中使用的电继电器。

电报线路本质上就是长长的电路。你可能以前从未想过，但它们是用电池供电的——原始的低压电池，电报站里一个壁橱都装不下——因为当时还没有电网。

1835年发明的继电器是这些系统中的关键部件。它本质上是一个开关，可以接通或断开电流——有点像你用来开灯的墙壁开关。但继电器没有手指，所以它利用第二个电流来切换开关。为什么要用电流来接通另一个电流呢？问得好。

假设你想打开50英里外另一个城镇的一盏灯。你可以把很长的电线挂在电线杆上。这样你就可以控制灯的开关，甚至可以用点和划线组成的代码发送短信。但是问题在于：电线越长，电阻越大，因此通过的电流就越小，无法传递有效的信号。

解决方案是什么？将电路分成两段，每段25英里，并用继电器连接。当您闭合第一段电路上的开关时，它会驱动继电器，将第二个电池的相同电流模式通过第二段电路，从而点亮灯。下图如下：

当然，电报机用的是蜂鸣器而不是指示灯，但原理是一样的。总之，继电器至今仍被广泛使用，利用一个电流来接通另一个电流的想法开辟了各种可能性。例如，在汽车中，它允许你使用低功率的仪表盘控制装置来接通高功率电路，从而驱动启动器、前大灯或空调等设备。

继电器的工作原理是什么？其实，它本质上就是一个电磁铁。下面是一个简单的示意图，以及一个实际例子：

内部有一个缠绕在铁芯上的线圈。当电流流过这根控制线时，会产生磁场。磁场会拉动顶部的金属开关，从而与输出线接触。你肯定听说过继电器。烤箱的温控器控制加热元件的开关时，发出咔哒声的就是继电器。

虽然继电器很酷也很实用，但它们本质上只是简单的开/关开关。我们还有另一种东西有点像可变继电器——真空管，它发明于1905年左右，使老式收音机成为可能。

你可以把真空管想象成一个改良过的白炽灯泡。白炽灯其实就是一根细导线，通电后会变得非常热而发光。这根灯丝被放置在一个玻璃容器内，容器内的空气被抽走，这样灯丝就不会烧断。（这就是白炽灯泡的全部作用——隔绝氧气。）

但还有另一件事发生，你看不见：当灯丝温度极高时，电子会从中逸出。由于电子流动就是电流，你可以利用这些热电子，其工作原理类似于继电器。下图是一个简易真空管的示意图：

子穿过灯泡到达集电极，从而产生输出电流。这看起来似乎有点奇怪。但如果我们在灯丝和集电极之间添加另一根导线（栅极），就可以控制这个输出电流。在栅极上施加负电压会将电子推离集电极，从而减小输出电流。在栅极上施加正电压则会增加输出电流。

所以这又是一个电流开关，和继电器一样，它也是由不同的导线控制的。但两者有两个主要区别：首先，它没有机械触点，这意味着输出电流可以变化得更快。其次，输出电流不只是简单的开或关，它还会随着控制电压的大小而变化。

正是这一点使得第一批音频放大器成为可能。如果接收到来自远方电台的微弱信号，它产生的电流不足以驱动扬声器，让你听不到任何声音。但如果将该信号输入到真空管的控制电压中，就能得到一个强度更高、且能保持与原始信号相同模式（例如音乐）的输出信号。

等等！真空管还有别的用途——你可以用它们来制造计算机。没错，早期的计算机就是由许多真空管组成，这些真空管通过控制其他真空管来构成逻辑门。你需要一个输入信号，该信号要么是1伏，要么是0伏。“与”门有两个输入信号和一个输出信号。如果两个输入信号都是1伏，则输出1伏；否则输出0伏。“或”门则在任一输入信号为1伏时输出1伏。

实际上，你完全可以用继电器制造一台计算机。但继电器比真空管慢得多，而且咔哒咔哒的响声会让人抓狂。真空管是无声的纯电子元件，没有移动部件，这彻底改变了计算机的格局。

然而，真空管仍然存在三个问题。首先，它们耗电量巨大，因此早期的计算机运行温度很高，需要庞大的冷却系统，而且运行成本极其昂贵。其次，真空管非常脆弱，容易烧毁，因此计算机需要持续不断的维护。（实际上，需要专门的维护人员每天花费大量时间查找并更换损坏的真空管。）最后，真空管体积庞大。像1945年的ENIAC这样的早期计算机，体积庞大，占据了整个房间。

1947年贝尔实验室发明的晶体管利用半导体解决了所有这些问题。半导体这个词你可能经常听到，但究竟什么是半导体呢？你知道有些材料（比如铜）能导电，而另一些材料（比如橡胶）是绝缘体吗？半导体（比如硅）可以在导电和绝缘之间切换。

半导体有两种类型：如果向硅中添加额外的电子，就会得到n型半导体；如果移除电子，就会得到p型半导体。电子带负电荷，因此缺失的电子就像带正电荷一样，我们称这些电子为“空穴”。

晶体管是由不同类型的半导体材料组合而成的。例如，NPN型晶体管就是如此：

两个n型半导体之间由一个p型半导体隔开。这阻止了电子从输入区（“源极”）移动到输出区（“漏极”）。但是，如果在控制极（或栅极）上施加电压，电子就可以移动到输出端。是的，它本质上就是一个开关，一个电流可以开启另一个电流——但现在控制得更加精细。

最棒的是，它们可以小型化——而且它们确实做到了。落地式收音机被“晶体管收音机”取代，在20世纪50年代和60年代，青少年们走到哪都带着这种收音机。它们包含6到10个晶体管。如今，iPhone 17 Pro包含多达300亿个晶体管。这令人难以置信，但这正是我们这个计算机世界运转的基石。