贝尔实验室的伟大发明
时值1945年，电子管的困境引起了越来越多人的关注。美国贝尔研究所的执行副所长凯利是个电子管专家，他想如果要进一步发展通信事业，一定要有一种新的电子器件。他找来了威廉·肖克莱，当时他是贝尔物理研究所的固体物理专家。年仅三十一岁，他在二十六岁获得理学博士学位。就是这个年轻人即将在科技界和企业界掀起至今仍汹涌不已的波浪。“你认为应该朝哪个方向努力才比较有希望呢？”凯利问。“半导体物理学。”肖克莱肯定地回答。他的意见是有足够根据的，当时半导体已用于制造二极管等小型电子器件，许多国家都开始研究半导体材料的特性。
听从肖克莱的意见，凯利决定在所里成立一个固体物理学研究小组，核心有三个人，肖克莱担任组长，另外两人一个是巴丁，也是固体物理学专家，当时三十八岁，另外一位是布拉坦，四十三岁，有着丰富的半导体实验经验。
小组成立后，他们没有忙着去实验各种办法制造新器件，而决定首先深入了解半导体的物理特性，然后希望在正确理论的指导下研制出新的器件。
因此他们花了两年的时间耐心地做各种各样的实验，对半导体的性能包括半导体与金属接触的整流作用以及阻挡层势垒等进行了深入研究。肖克莱根据对半导体的多年探索，提出了一种被称为“场效应”的设想，从理论上预言：
当半导体层薄得同表面空间电荷层相近的时候，就可以用和表面垂直的电场来控制薄膜的电阻率，使平行表面流动的电流受到控制，就可取得放大作用。
为了验证肖克莱的设想，小组的成员们尝试了很多方法，终于又有一天，巴丁又拿出了一个新的设想，天才的实验家布拉坦设计了一个精巧的实验。
他们把一根金属针封上绝缘的腊，然后把针尖触到处理成N型或P型硅片（实质是个晶体二级管）上，接触处放一滴水作电解液。因为有腊层，针和水滴是绝缘的，水滴里再插一个金属细环，它等效为栅极。实验取得了相当成功。
布拉坦后来回忆说：“像预期那样，我们发现加在水滴和硅片之间的电压，会改变硅片流向金属针的电流。于是，获得了功率放大！”整个实验是如此简单，使用的最昂贵的设备不过是一台示波器。后来经过一些改进，终于在1947年圣诞夜的前一天，在贝尔实验室里诞生了世界上第一个晶体三极管，这样，他们可以怀着一种无限欣慰的心情来过一个新年了。
贝尔实验室于1948年6月宣布了这项发明，而且从此之后发展工作迅猛向前，巴丁与布拉坦完成的晶体管有几个限制：有噪声、不能承受大功率、可用范围受到限制。这时肖克莱又提出了性能更好的结型晶体管概念，这种新型晶体管克服了上述的缺点，更适合于生产，因而获得广泛应用，目前绝大多数晶体管都是结型的。
这是世界上最重要的发明之一，20世纪还没有哪项发明像它这样深刻地影响和改变整个世界。晶体管登堂入室，无线电王国的新主宰出现了。
由于肖克莱、巴丁和布拉坦的卓越贡献，1956年，他们被授予了诺贝尔物理学奖，成为科技发明史上合作研究的佳话。肖克莱后来回到家乡，几乎可以说就是他开创了未来“硅谷”，而巴丁后来由于在超导物理学上的贡献再次被授予诺贝尔物理学奖，成为惟一一位两次获物理奖的科学家。
神奇的半导体
在凯利问及肖克莱沿着什么方向研究才最有可能在器件革命上产生突破进展时，为什么回答会正好是半导体呢？这当然离不开肖克莱的高瞻远瞩，可也是基于当时世界各国正在研究半导体的现实而得出的结论。
事实上，早在1878年就有人发现一种名叫方铅矿的晶体具有一种特殊的导电性能，即只允许电流以一个方向通过，称为单向导电性。开始，无人意识到这种物质有什么应用价值，直到马可尼发明了无线电报通信后，在接收机中需要一种检波装置，即只允许高频电流单向通过的装置，这时人们才想起方铅矿石。但利用矿石做成的检波器性能并不很稳定，在佛莱明发明了真空二极管并利用它做检波器后，人们就不再使用矿石了。岁月流逝，无线电通信的范围伸展到短波和超短波频段后，真空二级管的结构使之无法胜任这些频段的检波工作，这让人们重又回到矿石检波器。不过这回使用的不是天然矿石晶体，而是经过提炼和加工过的半导体锗和硅。因顾这段历史，我们发现科学的发展和世界上任何事物的发展是服从同样一个规律的，总是螺旋式地上升着。
自然界中的物质根据其导电性能可划为三类。大多数的金属有许多电子可以导电，电阻值很小，因此日常生活中我们会用金属导线来连接电灯和电源插座，这些物质称为导体；也有一些材料如玻璃、橡皮和大多数的塑料内部没有可传导的电子，这些物质则称之为绝缘体；另外还有一些物质譬如锗、硅，它们的导电性介于其中，它们内部有些自由电子，但不足以使之成为电流的良导体，特别是当它们是很纯净的材料时，情况更是如此，这些物质就是半导体。
尽管纯净的半导体导电性能很差，但我们可以通过一道独特工序来改变它的导电性能。这道工序称为掺杂，即用某种不同元素的原子代替硅晶体内的原子。
我们知道硅在元素周期表位于第IV族，有四个价电子，如果选用带五个价电子的原子譬如磷原子进行掺杂，由于它比硅原子多一个电子，这样就有可能提供一个额外的自由电子，这个电子就可用于传导电流，从而大大改善半导体的导电性能，用这种掺杂方式形成的硅片称为N型硅。同样，如果我们掺杂的元素是只带三个价电子的硼，那么硅晶格中原来的由第四个价电子占据的地方现在成了空穴（即表示接受电子后还留有空余的地方），这些空穴显然带正电，它也能改善半导体的导电性，这样方式形成的掺杂硅称为P型硅。
显然，掺入的杂质越多，可导电的电荷也就越多，导电性能当然就越好，因此，半导体导电性能的好坏完全取决于掺杂的情况。
1+1＞2晶体管的工作原理
伴随晶体管收音机的普及，许多并不了解电子技术的人也已非常熟悉“晶体管”这个名词。人们通常就把晶体三极管称为是晶体管，但在更完整的意义上，“晶体管”是包括各种晶体二极管在内的更大范围的半导体器件的总称，不过这两种定义倒很少真正引起过麻烦。
在了解了半导体材料的导电特性后，我们就有了足够多的知识来了解晶体三极管是怎么工作的了。正如德·福雷斯特是在真空二极管的基础上发明的真空三极管，要了解晶体三极管的工作秘密首先也要从晶体二极管开始。
半导体通过不同的掺杂可以形成N型和P型两种掺杂半导体，前者自由电子较多，而后者则有更多的带正电的空穴。建立一个晶体二极管非常的简单，事实上只需将这两种不同形式的掺杂硅片接触在一起就行了。
接触后会发生什么现象呢？显然，由于两种硅片之间存在着浓度差，N区内的电子就会试图通过扩散运动占领本属于P区的领地，而P区内带正电的空穴也会由于存在着浓度差侵入N区，这看起来更像是场战争。战争的结果并不是在这两个区的任何一个地方都具有均匀的电子和空穴浓度，电子和空穴在离两块晶体接触面远一点的地方仍然保持着自己的控制领地，只在接触面的附近存在一个大家都不能侵入的相对稳定的区域，这个区域仿佛类似朝鲜半岛上的板门店，它被称为PN结。二极管的全部核心就是这个PN结。
PN结有两极，P端为正极，而N端为负极。
如果我们在PN结后两端加上一个正向的电压，先前达到的“军事”平衡就会被破坏，大量的电子就可以通过PN结形成电流，这个时候，二极管就处于导通状态。而如果是一个反向电压，则二极管中就不能有电流流过，因为外加电场制约了自由电子和空穴的运动。
瞧，这不就是佛莱明的二极管吗？
是的，两者的特性几乎是一致的，不过晶体二极管更小巧，功耗要更低并且性能也要更好，因而它出现后很快取代了真空二极管在电子“王朝”内的地位。
虽然晶体二极管的原理很简单，但在实际工艺中却不是把两类掺杂半导体拼起来就行的。它必须是把一块完整的半导体晶片一部分制成P区，而另一部分制成N区，也就是在晶片的内部实现P型和N型半导体的接触，而不是外部碰在一起的形式上的接触。
有了对晶体二极管的认识，三极管就非常好理解了。我们在这里要谈到的都是一种称为双极型的晶体三极管，这种三极管的基础是半导体二级管，所以被称为双极型。这个世界上难道还有其他形式的晶体管吗？是的，还有一种称为MOS晶体管的器件，它在半导体世界里扮演着非常重要的角色。在下一节里我们就会遇到它。
晶体三极管是怎样建立起来的呢？