电子管芯片应用 芯片破壁者：从电子管到晶体管“奇迹”寻踪

芯片破壁者：从电子管到晶体管“奇迹”寻踪

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文丨脑极体

1999年，美国《洛杉矶时报》评选出“50名本世纪经济最有影响力人物”，其中并列第一名的有三个人：美国发明家威廉·肖克利、罗伯特·诺伊斯和杰克·基尔比。肖克利是晶体管的发明人之一，诺伊斯和基尔比是集成电路的发明人。

排在第二至四位的分别是现代汽车工业奠基人的亨利·福特，连任四届美国总统的罗斯福，以及创办迪斯尼动画王国的沃尔特·迪斯尼。

回顾二十世纪，无论是科技、商业，还是政治、军事、娱乐生活，几乎每一个领域都发生了狂飙突进式的巨变，每个领域也都诞生出了足以彪炳史册的“关键”人物。在二十世纪的“群星闪耀”中，我们该如何理解三位发明家能够位列第一的殊荣呢？

要知道，晶体管被誉为“20世纪最伟大的发明”，而集成电路的出现又真正奠定了第三次产业革命的基石。如果这样说略显抽象，不如我们换一个说法。在我们今天的生活中，手机、电脑、电视、汽车等所有的电子设备中，都离不开一种最核心的硬件——芯片。而芯片正是由半导体集成电路来实现的，而集成电路最基本的物理单元就是晶体管。晶体管，就是我们从物理世界通向数字世界的“细胞”。

如果你认可电子信息技术以及由此带来的数字经济的巨大价值的话，那么你一定也会同意将“最具影响力”的殊荣送给他们三人。当然你也知道，排名不过是我们对历史的一种“简化”认知，真正的殊荣也要分给推动这一技术实现的每一个科学家、发明家以及商业家们。

回到历史现场，成为我们重新审视这场技术“奇迹”的基本方法。当我们一点点还原出构成这一技术链条中的重要人物和重要节点，可能又会发现一个这样的事实：技术“奇迹”并不存在，一切都有迹可循。

那么，在回到1947年12月23日位于美国新泽西贝尔实验室的第一个晶体三极管发明现场之前，我们必须将目光先投向更早的十九世纪末，来到爱迪生实验室，去瞥见那一束照亮电子世界的微弱电流。由此重新出发，我们首先将经历一段“电子管”半个世纪的传奇故事，找寻到技术突破和产业变革背后的内在动因，才能最终理解“晶体管”出现的真正意义。

序曲：捕捉电子的起点纷争

1883年，饱受碳丝灯泡寿命问题困扰的爱迪生突发奇想，他在真空电灯泡内部碳丝附近安装了一小截铜丝，希望铜丝能阻止碳丝蒸发，但毫无悬念，碳丝再一次蒸发了。不过他却发现，那根没有连接到电路的铜丝竟然产生了微弱的电流。尽管当时他并没有特别重视这一现象，但这位敏感的发明家仍然为这一发现申请了专利。

此后，这一现象被称为“爱迪生效应”，而这一现象发生的原因就是热能使得物体上的电子克服束缚位能，通过热激发产生载流子。受此启发，英国物理学家约翰·弗莱明在1904年发明了世界上第一个电子管——真空二极管，并获得了这项发明的专利权。真空二极管也被视作开启电子时代的鼻祖。

（弗莱明发明的真空二极管）

1906年，美国工程师李·德·福雷斯特在弗莱明二极管的基础上又多加入了一个栅极，发明出新型的真空三极管，使得真空管在检波和整流功能之外，还具有了放大和震荡功能。福雷斯特于1908年2月18日拿到了这项专利。

（福雷斯特发明的真空三极管）

1911年，加入联邦电报公司的福雷斯特，再次改进了真空三极管的排列方式，发明了二十世纪最重要的一个电子器件——电子放大器，可以大幅改进电报信号的输出质量。也正是基于这些功能，真空三极管被人们认为是电子工业诞生的起点。

历史的吊诡之处就在于，两位发明人并未首先从这项发明中获益。由于弗莱明声称他拥有电子管的优先发明权，因此他所就职的英国马可尼公司就大张旗鼓地生产起真空三极管来，福雷斯特对此当然十分不满，将马可尼公司告上法庭。

直到1916年，经历十年的诉讼，法庭最后判决福雷斯特的三极管触犯了二极管的专利权，而马可尼生产的三极管也侵害了福雷斯特公司注册的三极管专利权。最终结果是两败俱伤，两家公司都不准许再继续生产三极管。

专利权的纷争尽管延缓了电子管的普及速度，但是我们更要记住的是，正是专利制度对于发明权的保护，才能成为这些技术公司和技术人员孜孜不倦地推动技术革新的动力之源。

此后三十多年，真空电子管技术和工艺得到多次改良，真空三极管技术也成为欧美几个大国重点争夺的“核心技术”。除了在无线电通信、广播领域的应用外，真空电子管带来了全新的电子技术和最早的电子计算机。

过渡：真空管的短暂“巅峰”时刻

二十世纪初，随着真空三极管的发明，人们已经意识到可以实现电子信号传递和放大的三极管可以用于模拟计算。

模拟计算的原理就是通过具体的电压值来表示物理世界的数量值，再通过真空三极管这一的电子器件组成的系统，按照加减乘除等数学运算法则来对电压进行变化，最终得到一个同样用电压值表示的运算结果，这样就使用电子器件完成了对物理世界的模拟和分析。这一器件被称为“运算放大器”，在此基础上，人们研制出了电子模拟计算机。

最早的真空三极管的信号放大作用，被贝尔实验室用于电话通信中，解决了弱信号的远距离传输问题，但是放大器的增益仍存在不稳定的问题。1927年，时年29岁的年轻工程师布莱克开始着手研究这一问题，提出了负反馈放大器的解决方案，并在1936年将负反馈放大器引用在电话机的放大线路中。

至此之后，负反馈放大器一直成为运算放大器的核心原理沿用至今，并且使得利用电子信号进行数学运算真正得以实现。

技术的突破带来硬件应用的加速。1941年，贝尔实验室的卡尔·施瓦茨尔在布莱克的专利技术基础上，设计出第一款商用的真空管运算放大器——加法器。同年，德国人康拉德·楚泽使用了大量真空管，制造出第一台可编程电子计算机，能够在每秒内执行3-4次加法运算。

1944年，哈佛大学研究人员霍华德·艾肯在IBM总经理托马斯·沃森的支持下，用机电方式研制出了MARK-1号计算机，可以实现每秒200次以上的运算。

二战时，由于像快速计算火炮弹道等需要，电子计算机有了非常现实的应用空间。1946年，宾夕法尼亚大学的工程师埃克特和物理学家毛希利等人共同研制出了真正意义上的第一台通用型电子计算机——埃尼阿克（ENIAC）。这台使用了18000多只电子管，重130多吨，占地面积170多平方米，每秒钟可作5000多次加法运算。之前的计算机需要2小时完成的40点弹道计算，ENIAC只需要3秒钟，在当时堪称奇迹。

（1946年，当时世界最先进的真空管电子计算机ENIAC）

ENIAC显示出电子计算机的巨大应用前景，成为这一时期真空管电子计算机的最先进代表。在此基础上，数学家冯·诺依曼对ENIAC作了关键改进，完善了现代计算机的模型，至今仍然是现代计算机的基础架构。

不过，ENIAC因其庞大的体积、巨额的功耗、短暂真空管寿命以及由此带来的高检修率，造成这一代真空管计算机难以实现获得快速升级和大规模普及。现实的需求呼唤技术的革新，半导体材料的出现让技术的革新成为可能。

出道即巅峰，巅峰即落幕，成为真空管电子计算机的宿命。很快，晶体管的出现让新一代电子计算机登上了历史舞台，并且一骑绝尘开启了我们熟知的“摩尔定律”的时代。

登场：晶体管的“奇迹”时刻

1947年的12月23日下午，圣诞节前两天，瓦尔特·布莱顿和希尔伯特·摩尔仍旧来到实验室，再次进行半导体放大实验。他们将这个装置的一端连接到一个麦克风，另一端连接到一副耳机。摩尔与布莱顿用麦克风讲话，其他人则从耳机里听到了他们被放大了18倍的声音。这一实验的成功标志着第一个具有放大功能的基于锗半导体的点接触式晶体三极管的诞生，这一天被视为晶体管的诞生日。

（贝尔实验室诞生的第一个锗半导体点接触式晶体管）

完成这一项目的正是贝尔实验室肖克利领导的固体物理研究小组。1945年，肖克利牵头成立了这一小组，并和化学家斯坦利·摩根、固体物理学家约翰·巴丁、实验物理学家瓦尔特·布莱特等人一起开始了对于半导体材料的研究。经过多次失败，他们尝试用锗和硅来制造半导体放大器。

12月15日，在布莱顿的精湛技术操作下，完成了这个由锗块、金线、弹簧、电池等组成的装置，并且观察到随着锗块上两个接触点的靠近而产生的电压放大作用。第二天，布莱顿在实验笔记中写下：“在锗表明上，用点接触方法加上两个电极，间隔400微米。此时1.3伏的直流电压被放大了15倍。”在这个实验数据下面，肖克利作为小组组长和见证人，签上了名字。这个装置在几个月之后被贝尔实验室称为“晶体管”（Transistor），由传导（Transfer）和电阻（Resistor）两个词合成。

不过，一个有趣的细节再次出现在晶体管专利的申请上面。尽管晶体管的诞生是基于肖克利的场效应理论，肖克利也直接参与了整个研究过程，但是这一晶体三极管的专利申请书上没有他的名字。专利代理律师给出的理由是肖克利的场效应理论与一项1925年生效的结型MOS专利冲突，另外，进行那项决定晶体管诞生的实验时，肖克利本人并不在场。这一结果自然让肖克利非常生气。

天才的愤怒就是用更高的成就来回应此事。一个月后，也就是1948年1月23日，肖克利提出了更先进的结型晶体管的构想。1950年，第一只结型晶体管问世，同年11月，肖克利发表了论述半导体器件原理的著作《半导体中的电子和空穴》，从理论上详细阐述了结型晶体管的原理。至此，肖克利再次证明了他在晶体管上面独一无二的贡献。

（巴丁、布拉顿 和肖克利）

1956年，因为在半导体的研究贡献和晶体管的发明，肖克利与巴丁和布拉顿分享了当年的诺贝尔物理学奖。

我们看到，晶体管的发明，并非一个天才一时的灵光乍现。即使是肖克利这样聪明又勤奋的科学家，也需要在团队的协助下实现技术的创新。而在此之前，更是需要长达一个世纪的理论准备和材料发现。

1833年，英国科学家法拉第在测试硫化银特性时，发现硫化银的电阻随着温度的上升而降低，这是人类首次发现的半导体现象。此后数十年间，半导体的光生伏特效应、光电导效应、半导体导电单向性的整流效应被陆续发现。进入二十世纪，关于半导体的整流理论、能带理论、势垒理论，才在众多科学家的努力下不断完成。而肖克利对半导体的整体理论构建其实是在前人的基础上完成的。而半导体理论的基础又离不开近代物理学，特别是量子力学理论的指导。

同样，半导体材料也是在对半导体理论的研究中逐渐成熟。最早科学家利用半导体材料的整流效应来制作检波器（点触式二极管）。从1907年到1927年，美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年，硒光伏电池研制成功。1932年，德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器。

此后，四价元素锗和硅成为最常用的材料，而在肖克利发明锗半导体的晶体三极管的几年后，人们发现硅更适合生产晶体管。此后，硅成为应用最广泛的半导体材料。这也是美国北加州被称为“硅谷”而不是“锗谷”的原因。

总体来说，使用半导体材料而制成的晶体三极管，既具有了真空电子管的功率放大和开关作用，又避免了真空电子管高耗能、低寿命、低效率的致命缺陷。另外，利用晶体管可以不断缩小的工艺特点，为电子设备的微型化提供了可能。更小的体积、更快的速度、更可靠的稳定性，让晶体管真正成为现代信息技术革命的基石。

1954到1956年，全美国共销售了1700万个锗晶体管和1100万个硅晶体管，价值约5500万美元，而同期的真空管销售了13亿个，市场份额超过10亿美元。但这几乎是真空管落幕前最后的“荣光”了。此后，晶体管将一骑绝尘，带来电子计算机的指数级发展。

凡终章，皆序曲：“奇迹”背后的创新逻辑

当我们简要回顾完从电子管到晶体管的跃迁的若干关键历史现场和几乎主要的技术节点之后，我们可以再一次确认，晶体管，这一带给全人类信息技术革命的“奇迹”发明，其之所以能够出现的每一个要素都可以在之前百年的技术演化中得到还原。

真空电子管的发明，已经从原理上或者说结构上，通过对电子的控制完成了对数字信号的处理，真空管电子计算机的实现更是从实践上证明了数字计算的广阔前景。而晶体管只需要完成对真空管原有功能的一次“完美复制”。

（巴丁、布莱顿发明的点接触型三极管和肖克利发明的结型三极管结构图）

当然，这一突破并不容易。晶体管的出现同时还需要人类对于半导体材料和特性的真正掌握。而这一进程也花费了百年时间。最终，在肖克利、巴丁、布莱顿等人对半导体特性的熟练掌握和对半导体PN结结构的创造性试验中，才将可以替代电子管放大器的晶体三极管给“奇迹”般的创造出来。

如果我们能够回到弗莱明、福雷斯特、肖克利等人生活的年代，与其一起工作的话，我们还会深切地感受到这些科学家、发明家对于科学理论研究和新技术发明的巨大热情。同时，我们也还能感受到他们对于技术发明转化为商业成功的巨大渴望。

如果我们再把视野放大，审视这些发明天才所处的时代环境，就会发现像英美这样完成两次工业革命的同时，所建立起的一整套的自由竞争的市场体制、鼓励创新的公司研发机制以及国家信誉保证的专利保护制度。正是在竞争激烈但规则有序的市场环境当中，科学的研究和技术的发明获得了来自商业最大程度的投入，商业利益也因为技术成果的转化而得到最大化的实现。

在众多的科学家和发明家的背后，我们能够列举出一长串的知名企业的名单：马可尼无线电公司、通用电气、西屋电气、西门子、IBM、美国电话电报公司（AT&T），以及未来我们会看到的德州仪器、仙童、英特尔等等。

接下来，我们将回顾硅半导体的技术史，深入到硅晶体的演进现场，来见证硅晶体管的时代到来。至于这位伟大的物理天才肖克利，我们也将在更后面看到他极具争议的人生下半场，以及由他所开启的那个“硅谷时代”。

参考文献：

1.《芯片改变世界》，第一篇“半导体材料和半导体器件的前世今生”，2019年10月。

2.《电子科技》，“史蒂夫·乔布斯列‘50名本世纪经济最有影响力人物第五位’”，1999年12月20日。

3.《实用影音技术》，“胆机是怎样走过来的（上）”，2010年第10期。

从真空电子管到集成电路，聊聊芯片的「祖宗十八代」

微电子研究笔记 微电篇

你现在用来看这篇文章的设备，它用的是什么芯片呢？骁龙，麒麟，苹果的A或者是M,天玑亦或是x86系的AMD与Intel（no）？但不论是哪一个芯片，在看到题图时，都不得不跪倒在地，喊这个看似手工打磨十分粗糙的部件一声祖师爷。等等，祖师爷？我手机里的芯片，和这个东西……能有什么关系啊？在这里发出来，也许不全面，但想和各位聊聊技术的前世今生。

【电子管——曾经多阔绰，如今多落寞】

当电子管只能在一些特定的使用场景发挥余温时，他仍然会记得，他阔绰到统治整个电子元器件的20世纪初到20世纪60年代的整整60年。而他的出生其实只是一个意外。1880 年某日，托马斯 · 爱迪生好奇地在灯泡中多放了一个电极，且洒了点箔片，结果发现了奇特的现象：第三极通正电时，箔片毫无反应；但通负电时，箔片随即翻腾漂浮。这个现象后来被称为爱迪生效应。没人想到的是，这个小小的效应之后会影响20世纪初到20世纪60年代的一系列电子元器件。1901 年，欧文 · 理查森提出定律，说明电子的激发态引起箔片漂浮，后更以此拿到 1928 年的诺贝尔物理奖。接着英国伦敦大学电工学教授约翰 · 弗莱明在 1904 年发展出二极管，李 · 德佛瑞斯特更在 1907 年作出第一个三极管。20世纪中期以前，半导体并未普及，基本上当时所有的电子器材都使用真空管（包括人类历史上第一台通用电子计算机，它就是由18000个电子管组成的）。而基于上述的爱迪生效应，人们制作出电子管（又称真空管）：圆柱形阴极被灯丝加热后发出负电子，该负电子被带正电的阳极（屏极）吸引，从而使电流流入阳极然后从阴极出来，而在电子从阴极产生并被吸引到阳极的过程中，人们利用电场对真空中的控制栅极，向其中注入电子调制信号，进而在阳极处就可以获得对信号放大或反馈振荡后产生的不同参数信号数据，实现了对信息的传递。但真空管本身有着成本高、不耐用、体积大、效能低的严重缺陷，富贵无三代，这些缺陷让它在晶体管问世量产后很快失去了主流地位。【晶体管——分立元器件的末路与集成电路的前夜】1945年，著名的贝尔实验室决定成立固体物理研究组，以理论物理学家肖克利和巴丁、实验专家布拉顿为核心。

肖克利精于固体物理理论，他结合了莫特-肖特基的整流理论与自己的实验结果，提出了“场效应”：假如半导体片的厚度与表面空间电荷层厚度相差不多，就有可能用垂直于表面的电场来调制薄膜的电阻率，从而使平行于表面的电流也受到调制。这是人们提出的第一个固体放大器的具体方案。而研究半导体的体内和表面现象的巴丁与精于固体表面性质的布拉顿却始终得不到预期效应，在多次试验后，巴丁提出了表面态理论，该理论认为表面现象可以引起信号放大效应：经过不同表面处理或在不同的气氛中，硅的表面接触电势不同，光照硅表面时它的接触电势也会发生变化，而当他们将样品和参考电极浸在液体(例如可导电的水)中时，他们发现，硅的光生电动势大大增加，改变电压的大小和极性，光生电动势也随之改变大小和符号。但直到这时，效果仍然不是特别明显，材料备制上的缺陷阻碍了光生电动势达到最理想的效果。而同时小组内致力于提纯硅与锗的物理化学领域专家欧尔和蒂尔等成功研究出生长大单晶锗的工艺，为他们的实验提供了新的材料。终于，在1947年12月23日，巴丁和布拉顿把两根触丝放在了锗半导体晶片的表面上，并且在触丝靠近时发现了放大作用——他们成功研制出了第一个固体放大器：点接触式晶体管。

这也就意味着，微电子从电子管阶段进入了半导体分立元件阶段。1948年6月30日，晶体管首次在纽约向公众展示，并且在1956年让三位主要的发明者：肖克利，巴丁和布拉顿获得了当年的诺贝尔物理学奖。但当时的点接触式晶体管需要利用触须节点，稳定性不足，噪声大频率低放大功率小，性能不足且制作困难，导致第一代还仍然比不上电子管。一部分原因是初代产品还不够完善，另一部分则是由于场效应接触式晶体管仍然局限在模拟真空三极管的思路中，而晶体管和电子管背后的物理现象完全不同，晶体管的效应有其独特之处。于是，贝尔实验室转而研发一种新型晶体管。

点接触型与基于PN结的面接触型

半导体中有两种载流子：电中性的空穴与呈负性的电子，用电子导电为主的半导体称之为N型半导体，用空穴导电为主的半导体叫做P型半导体。

半导体中掺杂杂质或者是半导体自身有缺陷带有杂质都可以使导带中电子浓度升高，进而形成N型半导体，而导带中自由电子浓度越高，N型半导体的导电性能就越强。而如果把一个N型半导体和一个P型半导体连在一起，就会形成PN结

左边的实心圆是空穴，右边的实心圆是电子。P型的电子向N型，N型的空穴向P型做着漂移运动，且内部电场越强，漂移越剧烈，漂移使得空间电荷区减小，而与之相反的粒子运动则使得空间电荷区扩大，两个运动最终达到平衡，形成一个空间电荷区/耗尽层。而如果给P区加正向电压，N区加负向电压，专业点说就是PN结正向偏置，就可以让内电压减小，使电子扩散作用加强，形成较大的扩散电流。一个PN结加上管脚和引线就可以形成半导体二极管，而如果把一个N型半导体夹在两个P型半导体中间，就会形成两个PN结，制作出PN结型三极管。1948 年11月，威廉 · 肖克利在贝尔实验室内部刊物发表论文《半导体中的 P-N 结和 P-N 结型晶体管的理论》，阐述了他用这种原理制造半导体三极管的构想。但由于当时技术条件的限制，尽管贝尔实验室自点接触式晶体管问世后就持续投入研究，但一直到1950年，人们才成功制造出第一个PN结型晶体。晶体管的故事到这里大概就结束了，但集成电路的故事还要等到很长时间以后，而在两段故事之间，我们需要讲一群天才的故事。1954年，成功研制出晶体管的肖克利离开贝尔实验室，回到他的家乡圣塔克拉拉谷来寻求进一步的发展，而那个地方后来被称作硅谷。他在硅谷的瞭望山成立了自己的半导体实验室，并且依靠自己晶体管之父的名声吸引了一大批青年才俊。1956年，以罗伯特诺依斯（N. Noyce）为首的8位年轻的科学家从美国东部陆续加盟肖克利的实验室。

这也就是后面我们说的八叛逆

他们的年龄都在30岁以下，学有所成，有获得双博士学位者，有来自大公司的工程师，有著名大学的研究员和教授，都处在他们创造能力的巅峰。肖克利曾称他们为“我的博士级生产线”。而肖克利虽然精于科研制造，却并不是特别会管理他的“博士级生产线”，正如戈登 . 摩尔曾说：“当实验室里出现一件小事故后，肖克利会要求我们用测谎仪来测试谁说了谎，谁又是无辜的。”他在菲尔科公司的技术报告会上把八叛逆之一的诺伊斯挖来，却在将其招入后对他的工作产生了猜疑，请求贝尔实验室重新检测他所做的实验数据。再加上他在大量生产晶体管时对生产的错误指挥，人心逐渐不稳。最终，1957年，8位青年中的7位（没有诺伊斯，诺伊斯后来被鼓动一起策反）集体叛逃，自立门户。在青年出走后，肖克利实验室一蹶不振，肖克利本人也只得返回大学教书。【集成电路——两拨天才的竞逐】1957年10月，地处美国东部的仙童照相器材和设备公司，为“八叛逆”投资了3500美元种子资金，组建起一家以诺依斯为首的仙童( Fairchild)半导体公司，在嘹望山租下一间小屋，着手制造一种双扩散基型晶体管，以便用硅来取代传统的锗材料。仙童的业务逐渐发展，员工增加到100多人。同时，一整套制造硅晶体管的平面处理技术也在仙童日趋成熟。科学家赫尔尼把硅表面的氧化层挤压到最大限度。1959年1月23日，诺依斯等人又首创了一套晶体管制造方法，并由诺伊斯本人在日记里进行了详细的记录：他们先在硅片上加上一层氧化硅作为绝缘层，并在透明材料上绘好晶体管结构，之后用拍照片的方法把结构显影在硅片表面氧化层上，然后，在这层绝缘氧化硅上腐蚀去除不需要的图形后，再把具有半导体性质的微粒扩散到硅片上，用铝薄膜将已用硅扩散技术做好的器件连接起来。这样的话各器件之间就会有良好的电绝缘，这种工艺叫做平面处理，它极大的提高了晶体管的生产效率，使得晶体管可以大批量工业化生产。随后，仙童公司的半导体流水线很快成型。而几乎在同一时期，在美国的南部达拉斯市，德克萨斯仪器公司的基尔比也开始致力于电路的集成化。

杰克 基尔比

基尔比最初在中心实验室工作，但尽管中心实验室派他去学习晶体管技术，并且获得了贝尔实验室制造晶体管的许可，但由于当时硅工艺的成本还比较高，且硅管局限在国防工业的需求里，所以中心实验室对硅没有兴趣。尽管基尔比在中心实验室的十年里，获得了十几个专利。但他也发现，在中心实验室工作已经无法实现他心中的微型电路梦想了。于是，基尔比开始向有晶体管科研能力的公司发个人简历，希望能在那些公司里实现自己的想法。1958 年５月，基尔比加盟了当时刚从海上石油钻探设备转行到电子设备上的德州仪器。而德州仪器从贝尔实验室取得了制造晶体管的专利许可，第一个制造出了硅晶体三极管，是当时最大的硅晶体三极管的制造商。德州仪器与此同时也是美国国防部的电子设备微型化计划的合作伙伴之一。他加入了德州仪器的阿德考克小组，而这个小组负责的是微型组件（后称平面电子组件），他们要把许多单独的晶体管挤进一个器件里，而在1958年德州仪器员工出去度假，他却因为是新入职无法度假时，想到了1952 年，英国皇家雷达研究所的杰夫 · 达默在英国一次会议上的发言：“随着晶体管的出现和半导体工作的普遍化，现在似乎可以设想在固体板块中的电子设备无需连接的导线。板块本身就包括了绝缘的导电层、整流和放大的材料，通过切割各层面积的办法直接把电学功能连接在一起。”根据这种想法，基尔比在笔记本上画出了设计草图。

他在来德州仪器之前就已经有着十年的制造印刷电路的经验，他很快就认识到了最好的解决方案将是在硅片上制作出各种不同的电子器件，再把它们连接起来。当时的形势是：每一种基本器件，都已有了制造它的最好材料。但基尔比的直觉告诉他，电路所需的所有器件都可以用硅一种材料来制作。在当时，除了电感之外，其他的电路基本器件：电阻、电容、二极管、三极管都能在硅这一种材料上制作出来。所以在一种材料上做出所有电路需要的器件才是电路微型化的出路。“由很多器件组成的极小的微型电路是可以在一块晶片上制作出来的。由电阻、电容、二极管和三极管组成的电路可以被集成在一块晶片上。” 1958 年 7 月 24 日，基尔比在工作笔记上写下了这行字，并且用五页纸关于如何把这几种器件集成在一起的方法和实际应用，他甚至构想了一个用这种方法生产具有完整功能的电路的工艺流程：利用当时由贝尔实验室开发出的扩散 技术和物理气相沉积技术把这几种器件制作在同一块晶片上，然后将它们连成一个具有完整功能的电路。之后，在小组成员回来后，基尔比向阿德考克提出了这个方案，后者允许基尔比进行尝试，于是基尔比用硅做出了分立的电阻、电容、二极管和三极管，并把它们连成了一个触发电路。1958 年８月 28 日，基尔比就完成了用硅制造这些分立原件的尝试。之后基尔比开始试着将这些器件做在一起，但当时的德州仪器还没有合适的硅片，他只能改用锗来进行试验。他先在锗晶片上制造出三极管，然后在纯锗晶体中少量掺杂做成电阻，最后用反向二极管做出电容，再用金线将它们连成一个 Phase-Shift Oscillator，用热焊的方式将元件间的导线连起来，最后再由两个助手把制成的电路切割成 0.12ｘ0.4 英寸大小的成品，现代电子工业的第一个用单一材料制成的集成电路（也就是题图的那位老兄）就这么诞生了。

一周后，基尔比又用同样的方法成功地做出了一个触发电路。基尔比那时做的电路和后来在硅晶片上实现的集成电路相比，样子非常难看。但是，它们工作得非常好。它们告诉人们，将各种电子器件集成在一个晶片上是可行的。1959 年 10 月，基尔比小组准备用锗设计一个新的触发电路。这次他们要从头做一个触发电路。他们做出了电阻、电容、和三极管。第一个成功的触发电路是在 1959 年初完成的，该电路就是 1959 年３月向公众发布的“固体电路”。他在不超过4平方毫米的面积上集成了12个元件，制成了一个用于无线电设备的移相振荡器。1959 年１月 28 日，美国无线电公司（ＲＣＡ）准备将他们开发的集成电路上报专利局。1959 年２月 6 日，德州仪器的专利代理人将一份内容广泛的“微型电子线路”的专利申请递交给了美国联邦专利局。并在1959年3月在美国无线电工程学院年会上向新闻界发布了这一成果。仙童的诺伊斯听闻后大为震惊，他认为基尔比的方法十分笨拙：把一块半导体做成某种形状，使之产生一些电阻区域，再用导线将这些区域连接，这需要通过大量的手工劳动才能实现。而诺伊斯自己的技术则摒弃了用导线联接电子零件的费事模式，用蒸发沉积金属的方式代替热焊接导线

这是按照他们的工艺制作的IC芯片，事实证明的确更加优雅

后面证明这种方法的确更为先进，但由于依靠平面加工工艺，这种方法也只能在硅上实现（而当时硅工艺很贵）。于是，在约半年后，1959年7月30日，他们也申请了一项专利——“半导体器件——导线结构”在那之后，两家公司为争夺谁是集成电路的第一发明者而展开了旷日持久的官司论战。集成电路诞生初期，需求产量较小，价格十分之高，1961 年春天时，一块集成电路市面价格高达 120 美元。而且只有１０％的晶体管厂家能在晶体管生产上获利。但不久，美国的阿波罗登月计划 和“民兵”导弹开发计划大量采购集成电路，仅仅阿波罗飞船上的计算机就采用了来自仙童公司的上百万块集成电路，而德州仪器的集成电路也在和空军共担研究费用的情况下研究用于民兵导弹上的小型计算机的集成电路。军用市场的扩大带动了民用市场的拓展，1964 年，集成电路有了第一次民间应用：Zenith 公司将它用到了助听器上。自那之后，集成电路的费用降低，工艺改进，成为了业界主流。集成电路的快速发展也使后面微处理器的问世成为了可能。1971年，英特尔公司制造出了一个能实际使用的微处理器4004芯片，它是实际上第一款真正意义上的微处理器。1980年，IBM研制出第一代商用化PC，将世界推进到了PC时代。再然后，就到了我们手里所捧着的智能手机，主导的时代。它可能用的是骁龙，麒麟，苹果的A或者是M,天玑亦或是x86系的AMD与Intel（no）？但不论你用的是是哪一个芯片，当回望那个波澜壮阔的时代时，心中多少都会为之一振，去感慨那个人们不断精益求精，电子器件不断精益求精，时代不断向前进步的时代。而接下来的时代，还需要我辈奋发，使它更加精进下去。而我们所做的一切，并不是全部木大……

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