电子能及动力发展史（求知文库）_起点中文网_小说下载
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　　人们对电子学的了解通常来源于电视机、收录机、洗衣机等家用电器和电话、电报等公用通信设施。事实上，电子学的应用远远超出了电子行业本身，而深深地渗透到各行各业，各种应用领域。
只要稍稍细想就会发现，电子学的踪迹是无所不在的。从我们日常生活中必不可少的各种家用电器到将来为我们提供超级娱乐与享受的家庭影院、高清晰度电视以及数字化的高保真广播系统，从工业生产中的各种自动化仪器仪表到工业机器人乃至智能机器人，从随处可见的电话到未来的能够传输大量信息的“信息高速公路”，从车、船、飞机的移动通信设备到先进的全球定位导航系统，从人造卫星、航天飞机到未来的空间站，无不显示着巨大威力。
首先，电子学与航天工业密切相关。无论是人造卫星还是航天飞机，以及人类向宇宙深处发射的各种探测器，都大量应用了电子仪器与设备。从这些飞行器一发射开始，所有的通信设备就在不停地工作，为它们和地面控制中心提供必不可少的通信联络。在整个发射过程中，飞行器的定位和进入指定轨道都要在地面控制中心和自身所携带的控制设备的密切协作下完成。到达指定地点后，数据、图像的采集和其他工作的完成同样也依赖于先进的电子仪器。在远离地球的茫茫宇宙中，环境与地球上完全不同。那里，一切都失去了重量，有各种宇宙射线的袭击，还存在各种不可知的危险，这样恶劣的环境要求所使用的电子设备必须是高精度、高可靠性的，惟有如此，人类的各种航天活动才有可能获得成功。
在军事上，人们利用夜视仪可以在漆黑的夜晚“看”清几百米以外甚至更远处的景物，这靠的是红外遥感技术。人造地球卫星从天空飞过时，能够拍摄下地球的照片，它也利用了遥感技术。遥感是电子学的又一重要应用领域。人造卫星绕地球飞行时，用各种遥感方法拍摄下地球表面的照片，然后发回地面接受站。专门的技术人员对这些照片加以处理和解释之后，就能得到许多极有价值的信息，如航道上冰山的位置及移动情况，某一地区农作物的生长情况，森林的种类、范围与病害情况等等。根据卫星发回的照片，我们能够对过去绘制的地图的不正确部分加以修正，还可以监测森林火灾或火山活动，因为这些地区在红外扫描图上通常会明显地表现为热部位。在扑灭森林大火的过程中，还可以利用红外扫描图勾画出失火地区的界线，从而为指导整个灭火工作提供极为重要的情报。
人的视觉依赖于一双明亮的眼睛，遥感是靠什么“看”到遥远的景物的呢？是敏感器件，也就是传感器。在人们依靠视觉不足以获取所需信息时，传感器就成为了我们新的“眼睛”。传感器的种类很多，有的对压力敏感，有的对光敏感，有的对热敏感，有的对某种或某些气体敏感，还有湿敏的、磁敏的、色敏的、味敏的等等。敏感元件是电子领域里一支突起的新军，它们构成了电子元件的一个必要分支。众多的传感器，犹如天上闪烁的群星，在电子世界放射出奇异的光芒。
最近几十年来，机器人一直是个吸引人的话题。机器人同样也是电子学发展的产物，一个机器人实际上就是一套复杂的电子系统。现在，人们已经发明了各种各样的机器人。有的比较简单，例如工业机器人。工业机器人通常具有简单的判断能力，它能够代替人从事一些有危险的或繁重的重复劳动。比如说，在造船厂里，要给造好的船喷漆，这是一项非常危险的工作。
工人要站在船体周围的脚手架上进行喷漆作业。脚手架很高，一不小心就会出危险。因脚手架倒塌而造成伤亡的事也时有发生。于是人们发明了一种喷漆机器人，它能够吸附在船壁上，在地面人员的遥控下一边移动一边喷漆，劳动效率是人的五倍。更重要的是，工人们再也不必从事这种危险的高空作业了。在人工种植的森林里，为了让木材质量好，必须砍掉树下部的树枝，只留下树上部的枝。这项工作既危险又繁重。人们发明了一种爬树机器人，它能够代替人爬到树上去，砍掉多余的树枝。这种机器人有八个轮子，把它放到树根下，它就会用八个车轮紧紧地箍住树干，然后螺旋状地向上爬，碰到树枝就用链锯锯掉，然后再前进。爬到一定的高度，它就会自动反方向回转，下降到地面上来。与此类似的还有消防机器人，以及在深海区、有毒环境工作的机器人。工业机器人的出现，解决了许多危险工作的难题。但是，在机器人王国里，更引人注目的是具有与人类类似的判断、思维、语言、视觉能力的智能机器人，这种机器人的核心就是电子计算机。智能机器人将会具有良好的环境自适应能力、学习能力和与人类交流的能力，从而可以在更高的程度上代替人从事各种复杂的工作，如照顾老人和孩子，给学生上课等等。
许许多多从前与电子学毫不相干的行业，现在也已不得不深深地依赖于电子学，比如说医学。几十年前，医生依据各种表面症状对病人进行诊断，现在，多样的医学电子设备成了医生的一双双“眼睛”。目前，生物医学电子学发展非常迅速，已经形成了一门新兴的边缘学科。比如人体有一些很微弱的电信号，它们反映了人体内部各个系统与器官的工作状况，因此在临床上具有重要的诊断价值。对这些微弱信号的提取与分析也就成为电子学在医学方面的一项重要研究内容。利用CT仪等电子设备对人体器官与组织成像，并对这些图像进行处理与识别是生物医学电子学的又一个方向。CT就是计算机断层扫描，这一诊断方法目前在临床上的应用已经非常广泛。它是从各个角度对人体扫描，然后根据扫描数据重建出人体内部某一部分的三维立体图的一种技术。应用CT设备可以使医生看到人体内部组织、器官等的大小、形状，经过一定的处理与识别，就能很好地诊断病人是否患有某一疾病。
除此以外，电子学还广泛应用于导航、自动控制等领域。它存在于人类生活的每一个角落，每时每刻都在为人类服务。随着科技的高速发展，它也必将为我们创造更为美好的未来世界。
从20世纪20年代到现在，是人类社会发生深刻变革的时代。从无线电广播的繁荣到电视的迅速普及到计算机革命的发生，人类的生活在几十年间就从几千年的单调走进了现代社会的繁荣。
回首这段历史，我们总是无法不惊叹于人类的无比智慧与创造力。在这部光荣的电子繁荣史中有一个引人注目的辉煌篇章，那就是从真空管到集成电路的出现。正是真空管的出现，导致了20世纪20年代无线电广播的迅速崛起与20世纪40年代的电视“爆炸”，也正是小巧而可靠的晶体管的发明，才使得像电子计算机这样的复杂电子设备的实现成为可能。更令人激动不已的则是晶体管集成化的设想。从中小规模集成电路到大规模超大规模集成电路乃至专用集成电路，集成技术以惊人的速度向前发展着，至今仍未停止。到今天，几乎任何一个稍复杂些的电子产品都离不开集成电路；没有集成电路，就没有现在这个无比庞大与丰富的电子世界。
　　从爱迪生效应到真空二极管
1893年，历史上最负盛名的大发明家爱迪生在改进他着名的发明——白炽灯泡过程中，发现了一个奇怪的现象，那就是当他将一根铜丝封接到灯泡玻璃壳上时，在通电加热的灯丝与铜丝之间竟然出现了微弱的电流。进一步的实验发现，当灯丝不通电加热或者灯丝温度不很高时，在铜丝上就没有电流通过。电流是从什么地方冒出来的呢？难道它能飞越空间而传输吗？为什么加热灯丝是电流出现的必要条件呢？当然现在我们都知道其中的缘由了，但在当时，即使是爱迪生也无法解释这一现象。可这丝毫不影响这位发明家的专利簿上又增加了一个纪录。这个现象以后也就被称为“爱迪生效应”，当时谁也不会想到正是这份专利孕育了第一代电子器件——电子管，由此揭开了人类科技史上新的一幕。
第二年，远隔重洋的英国科学家佛莱明注意到了这个现象。佛莱明早年上过伦敦大学和剑桥大学，但都没毕业。他是电磁理论创始人麦克斯韦的学生，并为他的理论深深吸引。麦克斯韦的课上得并不太好，而且他的理论很少能被人理解，以致有一次他的课堂上只坐着两个学生，其中一个就是佛莱明。佛莱明在爱迪生的电灯公司作过一阵子技术顾问，他在仔细分析“爱迪生效应”后认为一定有一种带电的粒子通过了真空灯泡内的空间，他确信灯泡内的电流是从加负电压的灯丝流向接正电压的铜丝的带电粒子构成。科学的发展后来证实了佛莱明的预见。
1895年，马可尼发明了无线电报，第二年，他成立了自己的无线电报公司。佛莱明受聘成为该公司的顾问，并负责电报接收机中的关键部件——检波器的改进工作。老式的检波器被称为“粉末检波器”，性能很不稳定。粉末检波器在一个真空玻璃管内装有许多粉末状铁颗粒；用时还必须用一个小锤不断敲击铁粒，使其保持粉状而不致凝结在一起。这种装置灵敏度很低，大大影响了无线电通信的效率。
佛莱明接手这项工作后，由于特殊的工作经历使他设想是否可以利用“爱迪生效应”来对无线电波进行检波。佛莱明首先想到，作为阳极的铜丝连接到电源的正极时，当然会吸引从炽热灯丝飞出的电子，由此产生电流。相反，若铜丝电压低于灯丝连接的电压，那么从灯丝发射出的电子由于受到带负电压的排斥而仍返回灯丝，或者悬浮在铜丝与灯丝之间靠近灯丝的空间，这样就不再有电流流经铜丝。所以，如果加在灯丝与铜丝之间的是交变电压，那么只有在铜丝的电压更高时才有电流流经管子，也就是变成了单方向的直流电流了，这就是大家都知道的检波作用了。
佛莱明接着又改进了原有的装置，为了提高效率，他用一块大面积的金属板代替铜丝，这样电流显着增大了，更适用于实际。1904年，佛莱明把上述发明作成检波器，获得了巨大成功。人们把加负电压的灯丝称为阴极，而金属板叫作阳极，因此佛莱明的发明就称为“真空二极管”。
真空二极管是人类历史上第一只电子器件，它的意义是难以估量的。真空二极管除了用于检波外，还大量充当其他用途，其中包括变交流为直流的整流作用。更重要的是，因为有了佛莱明的这项发明，才会有后来者在这个基础上发明的一种崭新的器件。这种新器件在几十年内一直是所有电子设备的“心脏”，为电子技术的发展作出了难以估量的贡献，这种新器件的名称是真空三极管，而那位有幸的后继者是来自新大陆的德·福雷斯特。
德·福雷斯特与真空三极管
德·福雷斯特出生于1873年，正是那年麦克斯韦的名着《电与磁》问世了。和许多大科学家一样，他中学时并没有显露什么才华。用他自己的话说“学识既不丰富，也不会交际，而且文笔和口才又是那么笨拙”。总之，是一个再平常不过的少年。他的惟一爱好是喜欢摆弄各种机器。他那时梦寐以求的，大约就是作个机械师了。没有想到后来的两件事情影响他改变了理想，走上了伟大的发明之路。
第一件事情发生在他20岁还是一位大学二年级的学生时，那一年在芝加哥举行了世界博览会，这届博览会在科技史上占有重要一席，因为大发明家台思拉用研制的十二台交流发电机为会场九万盏五颜六色的彩灯供电，这是交流电全面击败爱迪生的直流电方式的开始。在溢彩流光的海洋里，德·福雷斯特完全陶醉了，直至展览厅空无一人。未来会是什么样呢？一个热爱科学的青年，应该朝什么方向努力呢？他苦苦思索。之后过了四年，他又得知台思拉在完成交流电大业后又开始探索电磁波的应用，已经可以不用导线而点亮远处的电灯了。德·福雷斯特完全被台思拉的天才征服，也为不用电线就能够传播电信号的无线电时代感到激动不已。他一心希望能够成为台思拉的助手，能够在无线电领域内有一番作为，但一直都没有机会。
幸运之门总为有志青年敞开着。德·福雷斯特没有遇上台思拉，却有幸结识了另一位杰出人物——无线电发明家马可尼。在此之前，马可尼在英国成功进行无线电通信表演的消息早已传遍欧美大陆。德·福雷斯特曾读到过介绍马可尼的文章，并见到一张马可尼的照片，神情严肃的他的左边放着电磁波发射机，右边是接收机。德·福雷斯特深受鼓舞，决心转变自己原来的方向，潜心研究无线电。他独身一人默默工作了三年却苦无收获，倍感痛苦和迷惑。
1899年深秋，马可尼应邀来到美国，他在纽约的军舰上进行了无线表演。正是在这次表演中，德·福雷斯特结识了马可尼，尽管两个人中一个已是享誉世界的发明家，而另一个只是默默无闻的普通人，但因为对无线电事业的共同热爱使他们很快就亲密起来。德·福雷斯特向马可尼倾诉了他一无所获的苦恼。马可尼鼓励他说或许是没有找到恰当的研究课题，他一边指着发报机中的金属检波器说，“比如这个东西，要想进一步增加通信距离，非要革新不可。”这位意大利发明家的话给德·福雷斯特以深刻的印象，原来改进金属检波器就是无线电研究中一个急待解决的课题。回家的路上，他兴奋地想：也许我就能完成这个使命。就在马可尼离开美国后不到两个月，德·福雷斯特辞去了他在芝加哥西方电气公司的工作，在纽约泰晤士街租了一间破旧小屋，全心全意研究改进检波器。
在随后的三年中，德·福雷斯特节衣缩食，沉浸在发明创造的乐趣中。
其间他发明了“气体检波器”，获得了相当成功，但这项用火焰来检测无线电波的方法效率还不是太高，他最终决定放弃这种方法，但他也同时想到了也许用炽热的灯丝可能有效果，他打算开始行动了，通向真理之门的钥匙现在就在他手中了。可是命运没有选择他作为真空二极管的发明人，佛莱明博士先他一步用同样的思路获得了巨大的成功。
消息传来，德·福雷斯特沮丧之至，甚至产生了放弃继续惨淡研究的决心。但对科学的热爱使他终于决定在他人成果的基础上继续向前开发，那么现在该做什么呢？
　　他首先重复成功了佛莱明的发明，然后下意识地在电子管里面封进了第三个电极，这是一片不大的锡箔，它的位置在灯丝和屏极之间。这时，奇迹出现了，他在第三极上加一个不大的电信号竟可以改变屏极电流的大小，而且改变的规律同信号变化的规律一致。这表明第三个电极能够控制屏极电流，只要屏极电流的变化比第三极的变化更大，那就意味着信号被放大了，而这正是无数电气工程师们梦寐以求的。德·福雷斯特预感到这个惊人的发现的价值，他沉住气继续实验，最后发现用金属丝代替小锡箔灵敏度最高，于是他用一根白金丝扭成网状封装在灯丝和屏极之间，世界上第一个真空三极管这就样诞生了。控制极因为像网栅就被称为“栅极”，它像一个非常灵敏的控制闸，按施加信号的变化，有规律地改变着屏极电流的大小，由于屏极电流要比栅极电流大很多，微小的电信号经过真空三级管后就可以放大很多倍。
电子管的出现是电子科技史上划时代的大事，它推动了无线电技术的迅猛发展，引发了一场革命并奠定了近代电子工业的基础。人们把电子管称作无线电的“心脏”是一点也不过分的。德·福雷斯特的贡献使之成为近代电子工业的鼻祖，美国人民尊称他为“无线电之父”，而全世界的人民至今都还在享用他带给我们的好处。
庞大的电子管“王朝”诞生了
真空三极管的发明给刚刚兴起的无线电通信带来了光明前景。由于真空三极管的放大作用，通过以真空三极管为核心的放大器电路可以将电信号进行连续多次的放大，使微弱信号的功率提高成千上万倍甚至更高。过去人们对从遥远地区传来的无线电波束手无策，因为微弱的电信号根本无法驱动收报机的工作。现在通过真空三极管将接收天线中感应或激励出来的微弱高频电流或电压放大到足够强度，因而大大增加了通信的距离。另一方面，对发报机而言，也可以用类似的办法将发射信号放大，增加发送功率，也就增大了在空间传播的无线电波的强度，从而从另一侧面增大了通信距离。
后来当人们把真空三极管用于较高频率的放大器中时，又出现了令人头痛的问题，就是放大器会发生振荡，一振荡就不能实现信号的正常放大功能了。振荡的原因在于栅极与板极之间存在较大的电容，为了解决这个问题，人们在两者之间加入了一个新的电极，称为帘栅极，因为它像一个用金属丝做成的帘子，起着静电屏蔽的作用，这就是四极管。1928年，荷兰菲利浦公司的特勒根和霍尔斯特又发明了五极管，它是为克服四极管的缺陷而产生的，加入的新电极位于帘栅极和板极之间，称为抑制栅极，它是用于抑制四级管中出现的二次电子发射现象。随着广播事业的发展又出现了六极管、七极管和八极管，所增加的新极都是栅极。这些新的器件不仅能对电信号起放大作用，而且能做更为复杂的平理，譬如振荡、检波、混频等等。
早期的电子管是十分昂贵的东西，是博览会上展出的珍品，直到20世纪20年代，电子管才开始得到普及和应用，这是因为此前电子管的工业生产基础尚未莫定。虽然真空三极管和真空二极管分别早在1907年和1904年问世，但有关发明的专利权分别属于几个不同的公司，到1921年，无线电报通信业务的蓬勃发展，无线电话和无线电广播技术的兴起，才促使“美国无线电股份有限公司”成立，从而将原先分属于马可尼、贝尔电话、通用电气、西屋和阿姆斯特朗等公司的有关专利技术汇集在一起，电子管才开始正式进入大规模的工业生产阶段，专门生产电子管的大工厂在世界各地相继建立起来，电子管的年产量犹如雪崩一样成倍增加。
20年代中期，无线电广播事业在无数无线电爱好者的努力下得到迅速发展，收音机开始潮水般涌上市场，巨大的需求刺激着电子管的进步，电子管从一个陌生的学术名词一下成为家喻户晓人皆有之的东西了。电子管工业空前壮大起来，1918年，荷兰菲利普灯泡厂还只生产了几百只真空三极管，到30年代，这家工厂的电子管年产量已超过百万只。
到20世纪30至40年代时，电子管已渗入各个应用领域，在无线电的领地内它是“天之骄子”，没有任何东西可与之竞争。在第二次世界大战中，为了对付德国人出没无常的潜艇，英国在1938年开始使用雷达。最初，使用的雷达波长还比较长，后来为了通讯的保密起见雷达的工作频率越来越高，而频率太高时，普通的栅控电子管由于自身特性的限制就不再适用了。由于军事上的迫切需要，促成了电子管在微波领域内的进展。1939年，英国伯明翰大学的布特和兰道尔在军事部门的资助下完成了能发生微波信号的多腔磁控管。之后，一位传奇性的人物，维也纳建筑师出身的考夫纳，来到伯明翰大学工作，而他的工作竟然是为海军部研究电子管。更令人神奇的是对电子学本一无所知的他经过不懈努力终于在1946年发明了宽带新型微波管，成为科技史上的一段佳话。此外，美国的瓦里安兄弟在1939年也发明了多腔速调管，这样一来，电子管无所不在了。
各种各样的电子管诞生了，一个繁荣的以真空三极管为核心的电子管王朝赫然屹立起来了。
自从德·福雷斯特发明了真空三极管后，在大约半个世纪内，它几乎独占了电子学的舞台。无线电广播的普及使电子管王朝的领域极剧膨胀，全世界每年生产的各种电子管可达数亿只以上。但是，随着电子技术的进一步发展和实际需要的不断增长，电子管性能上的不足使它面临日益严竣的困境。
最突出的矛盾是电子管过于膨胀的体积使得各种复杂设备的体积变得过于庞大以致不堪承受。人们也一直在寻找电子管小型化的方法，早期的电子管封装就像我们现在的灯泡一样，是梨形玻壳，电子管的管芯安置在作为芯柱的玻璃管上，玻璃管的末端与玻壳封接。到20世纪30年代后期，人们把梨形改成柱形，体积缩小了不少。之后，由于工艺的提高，到1961年时，电子管的栅极与阴极之间的距离已从1928年的1毫米缩短到0.05毫米以下，体积缩小的程度是非常可观的。然而电子管复杂的机械结构使得体积的继续大幅度缩小成为不可能，这使整个电子领域内的工程师们都感到头疼。
不仅于此，电子管的缺陷还在于它的耗电量过大。为使电子管的阴极发射出电子，人们不得不通电把阴极加热至相当温度才能促成其发射，而这部分功率并不构成电子管输出的有效功率，甚至可以认为是白白损耗掉了。
另一个问题是电子管的使用寿命。为发射电子，在阴极的表面涂有一层氧化钡。电子管工作时，阴极和灯丝处于炽热状态，氧化钡会逐渐蒸发，也就是说电子发射源会逐渐衰竭，这从理论上表明它一定是有寿命的。而实际中很可能不用等到氧化钡蒸发完，因为电子管的结构很复杂，经历的处理工序太多，期间任何一道工序的不严格都会导致管子的寿命缩短。这样由大量电子管为核心组成的大型电子设备性能就很受影响了。尽管通过工艺改进使电子管的寿命从1000小时延长到1~2万小时，但仍难以满足很多场合的需要。
以上的几个缺陷在世界上第一台电子计算机上表现得最为充分。1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院的摩赫利博士与另一位研究人员艾克特共同制造出这台具有历史意义的名为ENIAC的计算机。它能在一分钟内完成数以千次的计算，这在当时的确是一个令人吃惊的速度。但同样令人吃惊的是ENIAC总重量达到30吨，一些9英尺高的金属柜足足装满了一小间体育馆；这台机器还产生如此之大的热量，只有开动工业用冷风机才能防止线路熔化，盘上共耗用1.8万支真空管，耗电之大据说ENIAC一旦开动，整座费城的灯光立刻昏暗；更麻烦的是平均每7分钟就会损耗一只真空管。这样的情况令甚至IBM这样的大公司当时也断言对计算机的需求永远不会太大。
现实的需要使电子管陷入越来越大的困境，看来是需要一种新的器件来改变整个无线电世界面貌的时候了。
　　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？
　　虽然在实践上行不通而且在理论上也有问题，我们还是可以想像它是由两个二极管拼起来的。如果把两个二极管的正极都连在一起，就可以得到一个NPN的三极管，如果负极接在一起，就有了一个PNP的管子了。虽然这仅仅是我们的想像，但事实上一个三极管内部的确存在着两个PN结。
那么一个三极管的功能是否就是两个二极管的总和呢？不是的！由于其中的两个PN结之间还要产生相互的影响，所以不能用1+1=2这样的等式来简单地概括，自然界中的许多事情都不能简单的用算术来描述的。晶体三极管的功能相对于二极管而言有了质的变化，就这点来说，1+1是大于2的！
晶体三极管的三极分别称为发射极、基极和集电极，正好对应NPN或者PNP。三极管有两个特点引人注目：其一是流过发射极的电流会等于基极电流和集电极电流的总和；另外一点是基极的电流相对发射极电流和集电极电流是非常非常小以致可以忽略不计，所以发射极的电流的绝大部分都会由集电极流出，这也正是三极管中有一个极称为发射极而另外还有一个集电极的原因了。
晶体三极管最重要的放大特征正是体现在这三个极电流之间的关系上。
基极的电流非常小，但它对其他两个极电流的影响都非常大。通常，如果基极电流增加1个毫安，那集电极电流就会有几十到几百毫安的增加。这的确是个非常惊人的数字，它意味着基极信号的变化幅度在集电极端放大了几十到几百倍，这不也正是肖克莱小组以及许许多多电气工程师们所梦寐以求的吗？
显然，晶体管的这种放大效果真空三极管也是能够实现的，可为什么晶体管最后会将真空三极管取代掉呢？它究竟好在哪里呢？
它好在哪里
电子管的发明使人类进入了电子学时代，没有它就不可能在20世纪20年代推广无线电声音广播，让亿万人听到音乐、新闻等种种丰富多采的节目，也不可能在20世纪40年代出现“电视爆炸”也就是电视的迅速普及。显然，在电子技术的发展史上，电子管的里程碑地位是无可否认的，但在现实需要与电子管的缺陷之间的矛盾日益尖锐时，晶体管的出现无疑使无线电殿堂的主宰慢慢由电子管移到了晶体管上，电子管的缺陷看来一夜之间全部得以克服了。
每天清晨在公园里、马路边我们总能见到一些鹤发童颜的老人一边散步，一边聆听收音机里播送的早间节目。他们可以把收音机拿在手上或者就把它放在口袋里，这个玩意是这样轻巧，丝毫不让这些年长的人感到累赘。
凭什么能这样呢？因为有了晶体管，这种便携式的东西在真空管时代还是难以想像的，体积小和重量轻无疑是晶体管最值得夸耀的资本。晶体管的核心是块小晶片，加上电极和封装也要比普通的电子管小巧几百倍。即使到了20世纪60年代出现了超小型电子管，可就是早期的个头相对来讲还很笨重的晶体管与之相比，也只能说是小巫见大巫了。
晶体管的另一个长处是它的性能要稳定得多了，能够适用在那些震动很厉害的场合，譬如运输过程中，而电子管却不行。为什么呢？我们平时骑自行车上马路的时候，总会很小心地避开那些坑坑洼洼，其中的一个原因当然是使自己感觉舒适平稳些，而另外一个方面是震动小能很好地维护自行车，因为自行车是用螺丝把各种组件紧固在一起的。电子管的结构也是很复杂的，组装起来的东西一经震动没准就会出现接触问题了。而新发明的电子管的电气性能的连接是在具有两个P—N结的晶片的内部完成的，三个极是一个整体，因而没有这种因震动而引起的麻烦，如果有也只出现在晶体管外部的引出线上。这样的结构使得它的性能要可靠得多。
而且晶体管电信号的传递靠的是掺杂半导体内部的电子和空穴，不用再像真空管那样费劲地加热灯丝去发射电子了，因此耗电量也大幅度降了下来。发射电子的氧化钡涂层现在也不再需要，因而器件理论上的使用寿命值也不复存在了。
对生产厂家来说，他们最关心的是生产的成本，而晶体管显然要比真空管更对他们的胃口了。首先是作为原材料的硅是地球上仅次氧的最丰富的元素，我们见到的沙石瓦砾中都有它的原子；并且它的生产工序也很简单，非常有利于实现自动化生产。成本低廉的晶体管使各种电子设备价格变得越来越低廉，收音机自不必说，电视机也走进了更多的家庭。在晶体管问世不到15年后，在广播收音机中几乎全部取代了真空三极管，在电视机里惟一幸存的电子管就是显像管了。
从20世纪50年代后半期开始，整个无线电世界掀起了一场波澜壮阔的电子设备晶体管化运动，并由此带动了其他元件如电阻、电容、线圈、继电器和各种电路接插件的小型化工作，在电子设备小型化的征途上，人们取得了空前的突破，设备的性能也有了大幅度的提高。整个世界的面貌完全焕然一新，继电子管王朝之后人类终于又跨入了一个新的阶段——半导体的时代。并且由这个时代直接导致了后来更为辉煌灿烂的集成世界的诞生。
谁也想像不出没有晶体管的发明这个世界会怎么样，也许更好，也许更糟，但这都不重要，重要的是它诞生了，世界就变了。
晶体管应运而生的最重要的原因是由电子管为心脏的各种电气设备实在太庞大了。人们都希望看到小巧、漂亮又实用的东西，这样的想法使晶体管从诞生之日起就开始了迈向小型化的漫漫征程。这样带来的好处是不仅可以缩小体积，而且能很好地提高晶体管的频率特性。频率特性的概念看似陌生，其实在日常生活中我们早都熟悉了它。如果你是一个音乐爱好者，你就一定会发现吉他的六根弦中发出声音最尖的必定是那根最细的弦。晶体管也一样，越小越细，高频特性就越好。
一直到20世纪50年代末，生产出来的晶体管大都是合金晶体管，顾名思义，它是采用合金方法制成的，内部有一个小金属电极，体积较为庞大。
到1956年，半导体器件工艺有了重大的进展，两位美国的物理学家发明了一种新的工艺——扩散工艺，很快就诞生了一种新型的三极管——扩散晶体管。这两位科学家都来自美国的贝尔实验室，这个实验室为电子学的进展所做出的贡献是任何其他公司和研究所都不能比拟的。他们和通用电气公司的邓拉普对元素周期表中III—V族杂质向硅和锗的扩散做了大量深入的研究，为扩散晶体管的制造奠定了基础。扩散过程是制造扩散晶体管的关键工序，依靠自己研制出的成果，贝尔实验室成了世界上第一个制造锗和硅扩散晶体管的单位。
扩散技术已经被证明是制造P—N结的最好的控制方法。掺杂杂质在半导体中的扩散速度是非常缓慢的，可以通过调节温度来改变它。这样，杂质的分布可以得到很精确的控制，因而能控制所制造晶体管的全部参数。这当然对提高晶体管的质量大有好处，并且现在也不需要金属球了，体积比起合金晶体管自然要小很多。
1959年，在硅谷仙童公司工作的物理学家霍尼公布了一项他的发明——平面工艺，这种工艺具有相当高的精度，它马上被用于制造一种更新型的晶体管，就称为平面晶体管。仙童公司年轻的创业者们当年就开始出售这种新式产品。有赖于先进的精密工艺，平面晶体管的尺寸更是小了很多，因而大受欢迎。而平面工艺的成功却远不止此，由于它的出现，集成电路的制造成为可能，它成了现代半导体工业的最重要的基石。
先让我们来看看另外一个常见的情形，我们经常在一些场合见到巨幅的伟人画像，它们是那样逼真以致人们总很惊讶于这么大一张画布如何才能画得那般精确呢？其实这里面有个小技巧，画师们可以把一张伟人相片的底片放在投影机上，而把画布当作幕布，这样经过投影放大的伟人像就会出现在画布上，画师们就可以根据影像把轮廓勾画出来，这样出来的画像当然神态轮廓都很逼真了。平面工艺中最困难的事情是处理小至微米细的线路，怎么能够这样精确呢？事实上，我们也可以做一个模板，它一般是晶片的数百倍的放大，在这样一个大区域内可以很精确地分割出该掺杂的区域和绝缘区域。与画像时的放大相反，我们可以用照相的方式再数百倍的缩小，我们就可以得到一张非常精细的电路版图了。在这张版图上，该掺杂的区域是透光的。我们在硅片的绝缘薄膜上再涂上一层光致抗蚀剂，也就是一旦受到光照的话就可以把底下的绝缘膜给腐蚀掉。最后一步的原理再简单不过了，把制好的版图放在硅片上，仅需要一束光就能得到预定的光刻区域了，这些区域就是半导体杂质渗入的方便之门。
通过平面工艺制成的晶体管比合金晶体管前进了一大步，不过这仅仅是小试牛刀而已，真正发挥平面工艺巨大的潜力的时代还在后头呢！那是什么时代？那是集成电路的时代。
　　大胆的设想——集成化
人类的追求总是无止境的，在通往科学和真理以及追求进步的征程上更是如此。古人因为感觉到步行负载的不便而发明了可以滚动而行的各种小车。到了近代，马达的发明使人们有了汽车，然后有了火车有了飞机。每一次的进步都极大地改变了人们的生活，电子领域的进展同样是令人瞠目结舌的。
晶体管的发明是为了取代体积庞大的真空三级管，它的体积因此缩小了数百倍而大获成功。不过我们也看到在本质上两者是一致的，每一只电子管都需要一个甚至更多的晶体三极管来替代。1955年，IBM销售的一种计算机中，以往用了1250只电子管，采用晶体管后还需要2200只。随着电子设备功能逐渐增加，整个结构和体积也随之庞大，在先前看来是那样小巧可爱的三极管似乎一下都变得大得不能忍受了。自从ENIAC诞生后，由于科学运算和国防的需要，计算机工业得到了很大发展，到20世纪60年代时，一台中型电子计算机需要上百万只晶体管。同时代的轰炸机上所需要的电子元件的数量则比20世纪40年代增加了200倍以上。当年电子管面临的困境如今又戏剧性地摆在了晶体管面前。
怎么解决这个矛盾呢？最简单直接也是最容易想到的办法就是减小晶体管的体积。所以这才有了从合金晶体管再到扩散晶体管最后发展成为平面晶体管的过程，现在世界上最小的平面晶体管已仅有小米粒大小了。
20世纪50年代末期，美国的电气工程师们提出了一种新的设计思想，这种设计被命名为“微模组件系统”。在了解这种思想之前，我们可以先回忆小时候玩的搭积木的游戏。积木是一些形状各异的彩色木块，方的，半圆的，镂空的，各式各样，凭着自己的想像，我们可以设计出风格迥异的宫殿、宝塔等许多建筑。在电路中有很多类似的情况：首先是所有的电路都是由电阻、电容、二极管、三极管等元器件构成，这就相当于积木游戏中最小的积木模块了；其次是电路中经常包含一些通用的模块，比如放大器、振荡器、分频器等等，这些功能模块实际上更像是由小积木模块组装成的大积木块，选用不同的大积木块就可以实现多种多样的电路以满足不同应用的需要。现在，如果我们把小积木模块尽量做小些，这带来的好处当然是减小体积，并且把小积木模块拼装在一起组成各种标准的大积木模块，这样会使电路设计师们的工作变得更为简单。实际上，这两点最后也成了集成电路带给用户和电气工程师们的最大好处。
1957年，美国无线电公司最先开始制造这些“积木玩具”。小积木玩具都是310密耳（1000密耳=1英寸=2.54厘米）的薄片。这些薄片或者是小型晶体管、或者是小型及超小型的电阻、电容等。然后将这些组装起来的组件封在一起，这就是大积木模块，也就是术语上被称为“微模组件系统”的东西。采用这种微模组件，最高封装密度能够达到每立方米100~150万个，这几乎已是封装密度的极限值了。看来仅仅通过器件小型化的道路而不是彻底变革思想是不能解决问题的。
要什么样的思想才有可能实现器件的又一次革命呢？
1952年，也就是在晶体管发明仅仅4年后，一个新的预言出现了，英国科学家达默在华盛顿召开的一次座谈会上说：“在现阶段，预示将来，随着晶体管和一般半导体的发展，现在似乎可以想像：电子设备可以在一个固体块上实现，而不需要连接线。这种固体可以由绝缘体、导体、整流、放大等材料组成，可以由各层切出一块块面积直接联接起来而获得各种电气功能。”
这是人类第一次提出集成电路的思想，正是这个全新的想法引发了电子器件的又一次革命。
事实上，在一块晶体管管芯晶片上，一个晶体管实际占用的真正工作面积是非常小的。因为工艺的限制，晶片无法做得太小，故而有99%的晶片面积是被浪费掉了。设想，如果我们将一个大积木模块所具备的功能用一块大晶片来实现，把晶体管、电阻与电容都在这一块晶片上实现，那么晶片的利用率不就变得高了吗？晶片与其被分割成无数效率很低的小块去封装成三极管，然后又让电气工程师们将这些三极管重新根据各种要求连接起来，还不如在一块晶片上都连接好，再作为商品出售，这样使设计变得简单而且体积能大幅度减小，真可谓有百利而无一弊。
梦想能变为现实吗？
梦想成真——集成电路的实现
1958年，第一块集成电路在美国问世了。
这一回是美国德克萨斯仪器公司（TI）的基尔比，他在申请专利的报告中写到：“本发明的首要目的就是利用一块包含扩散型PN结的半导体材料，制备一种新颖的小型电子管电路，在其中，所有电路元件全部集成在这块半导体材料当中。”就像阿姆斯特朗在月球上的第一步一样，人类开始了集成制造的第一步，而集成电路以日新月异的步伐前进还是在1959年平面工艺被广泛应用后的事。
那集成电路是怎么样制作出来的呢？人们总是感到很奇怪，几平方厘米的芯片里怎么能够集成数以万计的晶体管、电阻和电容呢？靠的是什么样的魔法呢？
其实让我们来看看它的原理，就一定会感到所有的一切原来都是那么熟悉。
所有半导体器件在半导体晶片上的实现都有赖于掺杂这个基本概念。关于晶体二极管和三极管的实现核心是制作PN结，这可以通过在不同类型的晶片上选用不同元素进行掺杂而完成。这和平面晶体管有很多相似之处。
那电阻呢？考虑电阻的物理概念指的就是材料的导电能力。而半导体最显着的特性就是其导电能力会随着掺入到内部的杂质量的多少发生极为明显的变化，所以只要控制掺入杂质的数量，我们就能得到不同阻值的电阻了。
我们也都熟悉平行板电容器，两块金属板，板的中间充满电介质，再从两块金属板上各引出一个电极，就构成了一个电容器。在集成电路里制作电容的原理与平行板电容器是完全一样的。当然，两面金属板可用两个导电平面来代替，可必需的电介质又从何而来呢？在描述平面晶体管时我们曾提到硅片上有一层很薄的绝缘膜，它能够对集成电路中的硅片起到保护作用，不过在这里，它却正好可以用来充当导电平面之间的电介质。这样，一个电容就制成了，改变电容值可以通过改变导电平面的面积实现，这也就是集成电路内部没有大电容的原因，因为要占用太大面积而显得不经济。
晶体管、电阻、电容是电路实现中最重要也是最主要的元件。现在它们都可以在硅晶片上实现了，那整个电路的实现就不困难了。集成电路要求的工艺精度是很高的。譬如制作一个30皮法（1皮法=1012法拉）的薄膜电容器，中间绝缘薄膜的厚度仅有0.1微米，电极的面积也只有0.07平方毫米左右。杂质扩散时需要开一扇窗，这扇窗的口径也只有几个微米。这样的要求全有赖于霍尼发明的平面工艺，不能想像没有它这样精细的工作怎么才能完成。因此从这个意义上可以毫不夸张地说没有平面工艺就绝不会有集成电路，它是整个电子学发展史上最为重要的一环。
　　1962年，世界上出现了第一块集成电路的正式商品，尽管它只集成了12只晶体管和电阻，但毕竟标志着又一代电子器件正式登上了电子学舞台，而由此开创的一个时代直到今天还在继续。在继电子管、晶体管之后，集成电路成为电子学殿堂中最光彩照人的角色。
之后没有多久，一股集成电路的研制热潮席卷全世界，集成技术逐渐演变成为最富竞争意义的专门技术之一。现在，所有国家都充分意识到在集成技术上的领先对各国在国际舞台中扮演的角色起着极为重要的作用。它不仅涉及到单纯的技术，更有管理、基础研究、创造力等多方面的因素，反映着国家的整体科技实力。一个新的学科——研究集成电路制作和应用的科学——集成电子学兴起了。电子学经过半个世纪的发展，又迎来了一个崭新的时代——集成电子学时代。
大规模和超大规模集成电路
前面曾经介绍过1958年开始出现的微模组件系统，它的出现是基于两条原则：其一是采用微模组件使电路尽可能小型化；其二是让一些通用的功能单元电路成为一种标准，像人人都能使用的一块积木，以后便可利用这些标准模块更方便地实现大系统的功能。这两个原则看来和集成电路的原则并没有什么差别。集成电路诞生最初也是用于大量集成各种功能电路，因此当微模组件于20世纪60年代初刚刚获得通用时，集成电路就以非常优惠的价格使前者成为历史中的一现昙花。
在集成电路发展的最初阶段，大量生产的是中小规模集成电路。如果一块集成电路包含100~1000个管子和元件，它就被称为中规模集成电路，数目更少的则称为小规模集成电路。中小规模集成电路涵盖了许多通用电路，尤其是在数字集成电路领域中。这些通用电路积木模块包括计数器、译码器、寄存器、比较器、加法器和乘法器等数十种电路。利用这些模块，再加上存储器，就可以实现所有的各式各样的数字电路。现在已普及到家庭的电脑以及复杂得多的大、中型电子计算机看起来无所不能，其实它们内部就是由数万甚至数十万块通用电路模块完成的，不过品种却不会超过20种。因此中小规模集成电路用在一些小系统的设计上更是游刃有余了。直到现在，中小规模集成电路因为它的通用性好而广受欢迎，产量也因此非常之大。
事物总是这样具有两面性，有了这样的优点，就一定会有另外的缺点。
中小规模集成电路适用范围广，则它的集成度必然不高。不同电子设备的功能毕竟是各不相同的，不同电路之间相同的部分也必定是很少的，只可能在较小规模的程度上一致。当然，我们可以用这种集成电路去实现一个庞大的系统，但这会导致芯片的数量达到很可观的数字，体积也就不可避免地会膨胀起来。不幸的是总有一些场合，体积是受到严格限制的。比如用运载火箭携带卫星上天时，为了能把卫星送上预定的轨道，它必须得有足够的推动力使之克服地球的引力达到第一宇宙速度，为此的花费是昂贵的，通常每增加一千克重量，费用要增加10万元左右。火箭和卫星上都大量配置着各式各样的电子设备，如果它们都由小规模集成电路来实现，结局无疑会是灾难性的。
所以绝对有必要去制造集成度更高的集成芯片，尽管它们适用范围会比中小规模的集成电路小很多，重要性却要大得多，尤其在一些军用的高精设备上更起着举足轻重的作用。
1967年前后，首次出现了大规模集成电路，管子和元件数超过了1000个；1970年很快激增到10000个；到1975年时超大规模集成电路问世，这次集成的元件数达到了10万；到20世纪80年代中期，每个硅片上集成的元件数达到了难以想像的100万个；现在这个数目增加到了390万。不到30年的时间，电路器件的集成度提高了几十万倍，这种速度是世界上任何一类其他产品都不能够相提并论的。您还记得ENIAC吗？那台人类拥有的第一台电子计算机，它的运算速度为每秒5000次，体积达到90立方米，重有30吨，耗电量更高达140千瓦。到1976年出现的运算速度略高于每秒5000次的计算机体积仅为前者的三十万分之一，重量仅有一磅，耗电量小到只有2.5瓦。这真叫不以大小论英雄。另外一个实例是微机的发展，20世纪80年代初期出现的具有划时代意义的PC/XT机为了完成串行通信、并行通信以及对软盘驱动器和硬盘驱动器的工作，一共占用三个输入输出卡槽资源，需要上百块集成电路芯片，其中包括有大量的中小规模片子。现在呢？不再需要占用任何槽口了，所有的功能都由计算机主板上的一块芯片完成，正是它，使大量通用芯片不再成为必需。
当集成电路以令人瞠目结舌的速度往前飞奔时，新的工艺问题出现了，老的原则现在不适用了，过去生产中小规模集成电路的工艺方法如今胜任不了新的工作了。
一块晶片上需要集成100万个元件，而晶片的面积却小得可怜，提高集成度的首要问题当然是尽可能地缩小各种元件的面积。可没有想到另外有一个麻烦冒了出来——集成电路的工作电流。在中小规模集成电路中晶体管的数量较少，这使得它能容忍每只管子有较大的工作电流。而谁要是糊涂地把这种思想带到超大规模集成电路中去，那真是一场灾难。假想一块晶片上要集成十万只晶体管，并假设平均每只管子工作电流为100微安，这看起来实在是很小的一个数了，但所有晶体管一起工作就太可怕了，电流足足有10安培。除非是某些特殊用途的器件，否则在这么大电流下工作实在无法正常起来，何况集成的晶体管数早已不是10万的水平了。
怎么办呢？所幸人们还有一种MOS晶体管，它在面积和电流的两项重要指标上都比前面讲到的双极型三极管要好得多。MOS是英文金属氧化物半导体的简称。它的工作核心不再是PN结，而是利用电场来控制半导体中运动的截流子从而使MOS管也能起到和双极型三极管一样的放大作用。而且在集成电路中MOS管的面积可小到0.0005平方毫米以下，只有双极型晶体管面积的1/5，工作电流指标也有了显着改善。众多的好处使MOS管成为超大规模集成电路中倍受青睐的角色，MOS集成电路也成为微电子技术革命中当仁不让的先锋。
另外的许多先进手段开始引入集成电路的设计制造过程。现在用计算机辅助集成电路的设计已经成为微电子行业里最富有活力的领域，依靠计算机强大的功能，复杂电路的设计和检验才成为一件可能的事。难以想像存在这样的人愿意花费无数的精力和金钱去实际完成一个包含几十万电子元件的电路以验证这个电路的可行性。计算机每一次的革命都是以集成电路的进步为基石的，而最后它又成为促进集成度提高的最有力的工具，它们相辅相成，促成了这个世界的美妙进程。
平面工艺中最重要的一道工序光刻现在也遇到了不可克服的困难。受到光固有的衍射特性的限制，2~3微米的线宽成为光刻无法突破的极限。为追求更高的精度，20世纪60年代后期又有了一种称为电子束曝光的新工艺，它能在硅片上蚀刻出小于1微米线宽的图形。1970年，以斯皮勒为首的美国科学家又发明了χ射线工艺，它的分辨率也很高，至少达到与电子束曝光法同一量级。
不断更新的工艺让集成电路有足够的推动力往前发展，所有的电气设备，从卫星到随身听，都变得越来越小巧、精密和可爱，也使所有人的生活变得越来越轻松、方便而丰富多彩。
　　在谈到整个电子学的发展历程中，如果离开“硅谷”这个话题是不可想像的。“硅谷”是个什么样的地方？是充满半导体硅的山谷吗？不是的，在美国的地图上是找不到“硅谷”这个地名的。其实，它只是美国西海岸加利福尼亚州旧金山南端一段南北长约40千米，宽约20千米的夹在两片低矮丘陵之间的狭长地带。这里气候宜人、风景优美，直到1950年以前，它还被称为“美国的梅脯之都”。而现在一切都不一样了，木结构的公寓式建筑群一望无际，沿着新兴的高速公路两侧，是崭新的低层工厂，清一色采用青铜色玻璃和黑色塑料。谁也想像不出这儿曾是满园飘香的果地，它不再是梅脯的产地而成为微电子学的故乡。在硅谷占尽风骚、独步天下的数十年时间里，电子学方面的每一件新花样几乎都出自硅谷。
在硅谷里有近万家商行，1/3以上是电子企业，而代表电子领域最基础也是最先进部分的微电子工业有着举足轻重的地位。这些公司包括有着名的惠普（HP）公司，有已成为昨日黄花的曾在集成工业史中占有重要一席的仙童（FairChild）公司，还有因生产“给电脑一颗奔驰的芯”而蜚声世界的英特尔（Intel）公司，计算机行业的巨人国际商用机器（IBM）公司也在这里设立了一个研究机构，有2000名研究人员孤独地在各自的房间专心致志地完善程序编制技术。在这个狭长地带中有6000多名博士在工作着，是全美受过高等教育的知识人才最集中的地方，年销售额超过400亿美元，是美国最富有的地方之一。
通常都把硅谷的起源定为1956年，尽管在此之前这里已经有一些颇具规模的公司譬如惠普，那年具有深远意义的事是威廉·肖克莱决定返回自己的故乡，那是离硅谷很近的帕洛阿托。正是这一年，了不起的肖克莱与巴丁、布拉坦一起因为9年前无可争议的最伟大的发明获得了诺贝尔物理学奖。当时，肖克莱还在贝尔实验室工作。贝尔实验室至今仍是世界最着名的电气科学实验室，全世界的贝尔实验室共拥有一万多项专利，并且还在以每天一个的速率增加着，它的设备、资金都具有令所有研究人员羡慕的优势。但这一切仍不足以留住肖克莱，他的父母还生活在故乡，更重要的是他的老师，加州工学院的贝尔曼教授已拥有足够的财力帮助他开办自己的公司。
肖克莱是有更深想法的。他不仅是位理论造诣很深的半导体物理学家，更难得的是他还是一位雄心勃勃的科技企业家。他精明强悍，决心凭借自己的技术才能创下巨大财富，他这种勇往直前的品质是当时无人能及的。那时的无线电工业形势已显示出晶体管工业是最富有希望的工业之一，肖克莱决定开办自己的公司生产晶体管。他从美国东海岸招聘了一些充满活力的青年技术人才，他们为肖克莱的声望所吸引，也为他的理想所感染。糟糕的是还不到一年的时间，他们发现与肖克莱相处起来太困难，于是决定离开肖克莱开办自己的生产厂家。1957年，人称“肖克莱八杰”的青年人离开了他，有了自己的产业，他们后来都成为硅谷微电子工业的中坚，他们的公司也享誉全世界。而作为旧日领袖的肖克莱却被迫弃工从教，在硅谷附近的着名的斯坦福大学担任教授。八个人的“背叛”行为使当时舆论界深为震惊，谁也没有想到这种事情在今天无数个仿效硅谷建成的电子工业园里成了再司空见惯不过的事情。是肖克莱和他的年轻人们开创了硅谷的作风和传统，这也是把硅谷的创始时间定为肖克莱东迁那一年的原因。
八个人中间的罗伯特·诺伊斯1957年就成为仙童半导体公司的老板，另一位戈登·穆尔先也加入了仙童公司。1968年他们创办了如今人尽皆知的英特尔公司，公司的总裁是穆尔而诺伊斯成了董事会主席。其他的六位也都有了不起的业绩。仙童半导体公司与众“仙童”们对硅谷随后数十年的发展产生了巨大影响。据说1969年在森尼韦尔举行的由半导体关键人物参加的一次会议上，400名出席者中，未曾在仙童公司工作的只有不足24人。20世纪70年代初，有41家公司是由仙童公司原雇员创办的。仙童公司独特的地位使它成为美国微电子工业的标志，所以后来日本人准备在仙童处于衰败之际收购它时，激起了美国人的强烈对抗心理，结果终于保住了仙童的美国国籍。
电子学的发展促进了微电子工业的迅速发展，正如20世纪初美国的石油热吸引了无数冒险的开拓者一样，有越来越多的拥有一技之长的电气工程师们涌向硅谷开办自己的公司，生产最有前途的电子产品。一个公司倒闭了，更多的公司冒了出来，激烈的竞争、巨大的需求使硅谷膨胀起来，也极大地促进了美国半导体工业的发展，蓬勃发展的局面确立了美国20世纪60至70年代在世界半导体工业领域内的绝对统治地位，60年代包揽全部世界十大半导体公司，至70年代中期，也仅有荷兰、日本各占一席，这是美国半导体工业最辉煌的时候了。
　　带你走进通信世界
现代社会是一个通信高度发达的社会，电话、电报、传真为我们提供众多的通信手段，广播、电视随时向我们传递世界各国的新闻，我们处在一个五彩缤纷的信息时代。你想知道电话系统是怎样工作的吗，你想了解卫星是怎样用于通信的吗，那么，请跟我来，让我们一同走进神奇的通信世界。首先，让我们来看一看人类的通信方式已经发生了怎样的改变。
人类离不开信息
什么叫信息？简单说，信息就是消息、情报，就是语言、图像、文字、符号、数据等的总称。人们每时每刻都在参与信息的传递。你说话的时候是在向听者传递信息，写信是在向你的亲友传递信息，你坐下来看电视，这时你成了信息的接收者。现代社会瞬息万变，每一天都会有不同。天气预报、商品信息、股市行情、市场动态等都是信息。依据这些信息，我们才能作出各种决策；失去了对信息的随时掌握，人们将一筹莫展。
从古到今，人类都与信息密切相关，并试图用各种方法传递信息。通信就是人们传递信息的过程。古时候，通信多依靠人力、马匹、信鸽乃至旗语、火光等原始、低效的方式。战争期间，在边境上设有烽火台，一有敌人入侵，戍边的士卒立即燃起烽火报告军情。后来，各代帝王又在官道旁每三十里设一驿站，用来传递公文、命令与军事情报。一旦遇到紧急军情，用快马接力传递，一日之内，情报就能传到千里之外，这是古代最有效、最迅速的通信方式。
在很长一段时间内，人类的通信方式都是很原始的，通信的发展相当迟缓。直到19世纪，法拉第发现了震惊世界的电磁感应定律，从而使人类对于电的认识发生了重大突破。不久以后，人们又发明了发电机，电的火花开始闪烁在人类社会的各个角落。1844年，第一条有线电报线路开通，标志着电通信的新时代的到来；1866年，第一条横贯大西洋的海底电缆敷设成功，通信走向国际化；1876年，贝尔和沃森发明了电话，“顺风耳”冲破人类的幻想而成为现实。短短的几十年间，人类在通信领域已经跨越了一个时代。
电通信在它诞生的初期就充分显示出巨大的威力。一切只不过才刚刚开始，更精彩的还在后面。
1865年麦克斯韦建立了电磁波理论，这是人类科学发展史上又一座不朽的丰碑。随后，赫兹用实验证实了电磁波的存在，到1895年，意大利发明家、年仅21岁的马可尼成功地用无线电波传递了电信号，开辟了无线通信的新天地。20世纪20年代，无线电广播事业迅速崛起，无线电波终于飞遍了全球。
历史的车轮滚滚向前，通信科学也在一代又一代理论科学家和实验科学家的共同努力下飞速发展。20世纪60年代，通信卫星的成功发射为人们提供了另一种有效的大容量、远距离通信方式，而20世纪70年代光纤通信理论与实践的发展则描绘了未来通信的更为美妙的前景。与此同时，微电子技术正蓬勃兴起，这无疑是通信技术的又一个强力助推器。
时光之河流入20世纪80年代，集成技术仍在发展，通信频带越来越宽，容量也越来越大，光纤通信进入实用阶段，通信产业已发展成全球瞩目的热点。它与人类息息相关，如同一条条动脉，延伸到世界的每一个角落。
通信所带来的经济效益有目共睹，通信作为一个国家支柱产业的地位已不可动摇，通信发展的程度也被视为评价一个国家综合国力的重要指标。通信领域，一系列新的概念也被提出。世界各国为争夺本世纪高新科技的发展优势，都在加紧建设综合业务数字网与“信息高速公路”，通信技术的新时代已经来临。
在一个通信系统中，通常都要求多对通信能够同时进行。比如，电话网中同时进行的多路通话并不会相互干扰；各家电台同时播音，而每个人都能清楚地收到各自想听的电台的节目，这些是怎样实现的呢？人们是采用各种多路方法来达到目的的。常见的多路通信方式有频分多路和时分多路两种。
电信号都是有一定的频带的，不同频率的信号能够相互区别，频分多路就是将整个信道的可用频带划分为多个互不重叠的部分，在每一部分内传送一路信号，如果每一部分的带宽都大于或等于一路信号的带宽，那么各路信号之间将不会相互干扰。仍以电话为例，语音信号的频率主要是在20kHz~4kHz之间，即一路电话大约占用4kHz的频带。如果要在同一信道中传输3路模拟电话，我们可以让一路信号占用0kHz~4kHz的频带，一路占用4kHz~8kHz，另一路占用8kHz~12kHz的频带，这样几路信号经传输到达接收端时，可以把各路信号按频带分开，然后送往相应的电话用户，于是每个电话用户都只听到自己这一路电话的声音。这就是频分多路的原理。把信号加到一定的频带上去的方法叫做调制。
我们还可以采用时分多路的方法。与频分多路方法不同，时分多路使用单一的频率传送信号，但在某一时间间隔内只允许某一路的信号通过信道，其他各路信号都被禁止传送。各路信号的传送先后次序都有严格的规定。当信号到达接收端时，再按照发射端的各路信息在时间上的划分规律，将分散在各时间间隔内传送的同一路信号重新聚合起来，还原成发射端发送的各路信息，最后分送给用户。在时分多路方法中，各路信号在不同的时间段里通过信道，因而也不会相互干扰。由于数字信号是由离散的“0”、“1”序列组成的，处理起来很方便，因此时分多路方法通常应用于数字通信之中。
数字通信时代
“数字”是一个人人都熟悉的概念，这里的“数字”和我们平时所说的数字有一定的联系，但已经是一个不同范畴的概念了。数字是和模拟相对的，所谓模拟信号，就是在时间上、幅度上都连续的信号。例如，我们现在用的普通电话线上的电信号就是模拟信号，它是模仿声音信号的变化而变化的。
数字信号是时间、幅度都只能取离散数值的信号。数字通信就是所传送的信息是用数字信号来表示的通信方式。在通信领域，通常采用二进制来表示数字，因为二进制只有“0”和“1”两个基数，最为简单。例如，我们可以用电流“通”的状态表示“1”，用电流“断”表示“0”，或者用电压“高”
表示“1”，电压“低”表示“0”。
数字信号并不是只能表示数字的，一切信息，如文字、声音、图像等都可以通过编码用数字信号来表示。例如，英语中有26个字母，我们可以用五位二进制数给它们编码，不同的数表示不同的字母。汉字的数目虽然庞大，但也可以用同样的方法进行编码。
图像也可以表示成数字信号。一幅黑白的两色图像，如果我们仔细地观察，就会发现它是由无数密密麻麻的小点组成的。这样的点越细密，图像就越清晰。所以，我们可以把一幅图像划分成许多个小区域，用“1”表示黑点，用“0”表示白点。如果把整幅图从第一行开始，从左到右地逐点排列下来，图像也就用数字信号表示出来了。
把模拟的语音、图像、文字信息转换成数字信号的过程叫数字化。早期的电通信完全是模拟信号的通信，如电话、电报、收音机、电视机等都是模拟装置。后来，人们发现，数字信号有很多模拟信号所不具备的优良特性。
它抗干扰能力强、传输距离远、保真度高，而且保密性能好，易于加密。
众所周知，噪声是通信的大敌。电信号在传播过程中会遇到各种各样的噪声和干扰信号，这些噪声会迭加在有用信号上，并和有用信号一起在通信的另一端被接收下来，从而导致接收到的信号失真。特别是在远距离通信的时候，信号在传播过程中被大大地衰减了，到达终点的信号已很微弱，如果此时噪声较强，则很有可能噪声的强度超过了信号本身，真实信号完全被噪声淹没，导致通信的失效。
数字信号的抗干扰能力要比模拟信号强得多。因为数字信号只有“1”和“0”两个信号，在通信的接收端只要分辨出脉冲的“有”、“无”或电压的“高”、“低”两种状态就行了，不像模拟信号那样需要精确区分信号的大小和强弱的变化细节。即使传输过程中出现一些干扰和噪声，对数字信号来说，还是比较容易分清“1”和“0”两种状态。所以在同样的发射功率条件下，数字通信可以有更远的通信距离。在数字通信中，一旦信号被正确接收并恢复，它与发射端的信号是完全相同的，所以数字信号有很高的保真度。
数字通信的另一优点是为电子计算机进入通信领域开辟了道路。由于计算机也是数字式的，所以数字通信的信号处理、存储、交换都可以交给计算机完成，从而促进了通信的自动化，提高了效率。在未来的通信网中，微型计算机将会是数字通信的最普遍的终端。
数字通信还易于保密，一连串的“0”、“1”信号，采用某种方式编码或打乱后再发送出去，非法接收者将很难破解。
可以看到，与模拟通信相比，数字通信的优势是非常明显的。目前，数字通信正在各个领域取代模拟通信的位置，电话网首当其冲，世界各发达国家都计划在20世纪末完成本国电话网的数字化进程。不仅电话，数字化过程也正在通信的各个领域发生，数字移动通信网方兴未艾，数字高清晰度电视和数字式高保真收音机也将逐渐实用化并走进家庭。数字通信的时代已经来临了，在未来的发展中，它必将拥有更为辉煌的岁月！
　　1876年，当美国发明家贝尔生产了第一部实用的电话的时候，人们还只不过把它看作一个新奇有趣的小玩意儿。然而一百余年后的今天，全世界已经拥有了八亿多部电话，电话已经成为了现代社会最基本的通信手段。
电话的问世在很大程度上改变了人们生产、生活和工作的方式。以前人们需要历经舟车劳顿、长途跋涉才能够坐到一起交谈或商讨问题，现在有了遍及全球的电话网，一切都不同了。无论交谈双方相隔多远，电话都能把他们连在一起。每时每刻，全世界都有无数人在通过电话交流信息，电话成了生活中最常用的通信工具。但是有谁能想到，电话的发明者竟是一名最初并不懂电学的聋哑学校教师呢？
贝尔的大胆构想
1844年，莫尔斯在华盛顿和巴尔的摩之间建成了第一条电报线路，嘀嘀嗒嗒的电报声开始在地球上响起，电通信的时代由此开始了。不久以后，人们就可以利用电报迅速地传递商品行情、重大新闻以及政府部门的各种命令，电报在社会生活中的作用日益重大。
然而，人类对信息的需求是永无止境的。人们对新事物的追求也永远不会停止。还在电报业方兴未艾的时候，就有人在想：电线能够传送莫尔斯电码，那它为什么不能用来传送人的声音呢？这个人就是年轻的贝尔。
贝尔于1847年出生于苏格兰。他的祖父和父亲都长期从事聋哑人教育，具有渊博的知识，所以贝尔从小受到了非常良好的教育。1870年，年轻的贝尔继承父业，成为一名聋哑学校的教师。从那时起，他就开始构思他心中的电话了。家庭的熏陶与职业的因素，使得贝尔具有丰富的声学知识，但他对电学却所知甚少。困难并没有使贝尔停步不前，怀着满腔的热情，他开始自学电学知识。不久以后，他与年仅18岁的电气技师沃森一见如故，两个年轻人共同开始了研制电话的艰苦历程。
贝尔知道，声音是靠空气振动传播的，不同频率的振动对应着不同的声音，而电线上传送的是电流，如何实现这截然不同的两者之间的联系呢？他们想，如果能够让电流大小的变化跟随声波的振动，电流不就可以传递声音了吗？而要使电流发生变化，根据欧姆定律，I=U/R，当电压U固定的时候，只要改变电阻值R就行了。带着这个想法，他们开始试验。在那些日子里，他们整天关在一间拥挤而闷热的小屋子里，夜以继日地设计、实验，再设计、再实验，甚至做梦都想着电话。就这样，两年过去了，他们尝试了无数个方案，终于有一天，当他们再次连接好改装过的机器并开始实验时，沃森忽然在电话的另一头听到贝尔大声呼喊：“沃森，快来呀，我需要你！”原来贝尔不小心把硫酸溅到身上了，正向沃森大声求助。这就是人类通过电话传送的第一句话。两名年轻的发明家欣喜若狂，立刻冲出各自的房间，激动地呼喊着对方的名字，相互拥抱在一起。这是多么令人难忘的一刻啊！历史记下了这个有纪念意义的日子——日。
后来，贝尔又对最初的设计进行了修改，并于1876年2月申请了发明专利，世界上第一台实用的电话机就这样诞生了。
困难的不仅仅是发明
年轻的发明家们满以为人们一定会争相购买电话机，但现实却再一次打击了他们。在费城举行的美国建国100周年纪念博览会上，贝尔和沃森表演用电话通话。这是电话机在公众面前的首次露面。开始，他们的电话机被陈列在一个偏僻的角落里，一连几天无人问津。后来，由于巴西王太子的赞赏，电话机才受到重视，被搬到博览会最引人注目的地方，成了重点展览品，受到了普遍的称赞。尽管取得了很大的影响，但人们并没有把电话看作是实用的东西，只不过把它当作新奇有趣的玩具罢了。无论贝尔和沃森如何讲解，谁也不肯相信它真的能够实现远距离通话。这使贝尔深深感到，要使电话被社会普遍接受，必须大张旗鼓地进行宣传。一件新事物在它刚刚诞生的时候总不那么容易为人们所接受，只有通过不断的宣传，才能改变人们的旧观念。
于是，贝尔和沃森一边改进电话机，一边在各种可能的场合大力宣传电话的原理和广阔的应用前景。又是两年过去了，1878年，首次长途电话实验在波士顿和纽约之间进行，两地相距300千米。贝尔在纽约，沃森在波士顿，两地同时举办宣传讲演，互相通话，这一次宣传取得了极大的成功，当地报纸以头条新闻报导了这次试验，并评价说，长途通话业务将在不久的将来得到实现。
为了进一步扩大电话的影响，贝尔和沃森在全国不辞辛苦地四处奔走，进行巡回表演。有一段时间由于经费的困难，他们几乎到了山穷水尽的地步。
然而两位发明家不懈的努力赢得了许多人的尊敬和援助。就这样，电话逐步地被更多的人所了解，所接受。到电话发明5周年的时候，全美已有四万八千部电话投入使用，电话正在北美地区盛行起来。
在发明创造的道路上，人们所遇到的困难远远不止于发明本身。与习惯势力，与陈腐观念的斗争在一代又一代发明家身上重复进行，永不停息。科学的发展也正是这样在斗争中一步步前进的。假如有一天你的发明、创新不被人们所理解、所认可，假如你坚信自己是正确的，那么，朋友，为之斗争吧！
从人工接续到自动交换机
自从世界上第一条长距离的电话线路开通以来，电话系统的技术革新就从未停止过。在程控长途直拨电话日益普及的今天，我们拿起话筒就可以方便地直接拨通世界上任何一处的电话，一切对电话呼叫的识别转接全都通过各级中心机房里的程控交换机来控制。但是，在多年以前，电话系统完全不是这样工作的。
世界上第一部交换机是1878年在美国制造的磁石式交换机，它安装在耶鲁大学附近，当时共接了20部磁石式电话机。最初的电话系统的中心机房实际上是一个交换台，电话的接续由话务员手工完成。从电影中我们可以看到，老式的电话机都带有一个手柄，当人们要打电话的时候，就转动手柄，交换机上相应的吊牌落下，话务员提起手柄，询问用户要哪部电话，用户回答后，把这部电话的插头插入相应的被叫用户的插孔里。这样，两部电话就接通了。
当用户打完电话以后，再由话务员拔下插头，使电路断开。在一个小城市里，接线员知道所有电话用户的正确插孔。如果用户需要呼叫本地以外的电话，接线员就要通过干线呼叫另一个城市的接线员，由远地的接线员把干线插入被呼叫的电话插孔里，呼叫完成。从上面的叙述中，我们可以看出，早期的电话接续完全由人工操作，是非常麻烦的。也不难想像，随着电话用户数量的增长，接线员和交换台将变得不能适应。
1893年，电话系统的发展取得了一个重大的突破。堪萨斯城的一位名叫史端乔的殡仪馆老板发明了自动电话交换机，使用户可以直接拨叫对方的号码，而不需通过接线员。你一定会奇怪，一个殡仪馆老板怎么会对交换机感兴趣的呢？这里面还有一个有趣的故事呢。一个偶然的机会，史端乔发现，每当城市中发生了死亡事件，用户打电话给他的殡仪馆时，话务员却总是把电话接到另一家殡仪馆——他的主要竞争对手那里去了，使他失掉了很多笔生意，原来那个话务员是那家殡仪馆老板的妻子。史端乔为此非常恼火，立志要发明一种不要接线员的交换机，并居然获得了成功。
史端乔的交换设备是一种电机设备，它由固定的步进马达和滚动式的铜开关连接器组成。为了配合史端乔式交换机，1896年，美国人爱立克森发明了旋转式电话拨号盘。把这种拨号盘装到电话机上，使电话线路中的直流电流产生断续，从而形成一系列的直流脉冲。例如，一个脉冲表示数字“1”，5个连续的脉冲表示数字“5”。不同个数的脉冲控制交换机上步进马达的动作步数，接通不同号码的电话机，从而建立起呼叫者与被呼叫者之间的连接。
史端乔式交换机开关噪音大、耗电多、速度慢、效率低、机械磨损严重，并需要大量的人工维护。它的中心机房环境非常糟糕，充满了噪音、臭氧、油和电线。在1970年以前，美国一半以上的电话交换机房都仍处于这种状况之下。纵横制交换机的出现使这种情况大为改观。这种交换机使用一个继电器矩阵来实现电话的接续，因而比步进开关要可靠得多。
让计算机控制电话交换业务
　　相对于步进制交换机，纵横制交换机有了很大的改进，但仍然存在接续时间较长、体积大、不够灵活等弊端。半导体器件和计算机技术的诞生与迅速发展，猛烈冲击着传统的机电式电话交换结构，使之走向电子化。1965年，美国贝尔电话公司（AT＆T）经过艰苦的努力首先发明并使用了世界上第一台商用程控交换机NO.1ESS，标志着电话交换从机电时代步入电子时代，程控交换技术也由此产生了。
所谓程控交换技术，就是用计算机来控制电话交换业务。大规模集成电路与超大规模集成电路、专用集成电路的出现，使得电话的交换完全电子化：
体积更小，容量更大，交换速度大大提高，工作稳定可靠，维护简便。而计算机的加入，则导致了电话业务的又一场革新。计算机强大的软件控制功能使得交换机可以为用户提供更多的新型服务如缩位拨号、呼叫等待、呼叫传递、转移呼叫、遇忙回叫、热线电话、会议电话等，给用户带来了很大的方便。
下面我们介绍几种程控交换机的新业务：
我们平时打电话常常遇到占线的情况，这时只好放下话筒等一下再拨号。有时候一连拨几次，对方还没说完，真耽误时间。如果你申请了自动回铃功能，那可就方便得多了。遇到占线的情况，只要拨指定的自动回铃代码，就可以放下话筒了。交换机会自动发出信号，告诉正与别人通话的被叫用户：
外面还有电话打进来。对方通话完毕挂机后，交换机将自动让你们双方的电话都振铃，拿起话筒就可以讲话了。
免打扰服务
有时候电话很让人讨厌，它会在你非常不情愿的时候响起来，比如深夜你熟睡时。如果你确实需要不受任何干扰的好好睡一觉，就可以申请免打扰服务。在你要求的时间内，外来的任何呼叫都不会使你的话机振铃，而将自动地转向留言系统或话务台。在你醒来以后，你可以向留言系统或话务台查询这段时间内有谁给你打过电话，以及他们的留言。
电话还可以当闹钟使用，如果你想在第二天早晨某个时候醒来，就可以在头天晚上按规定的程序通知交换机，到时候电话就会准时响铃把你唤醒。
这对于外出旅行的人特别方便。
有时候，我们不仅想通过电话交谈，还希望能够好几个人在电话里商量一些事情，也就是想在电话里开个会。有了程控交换机，这也就不难做到了。
不过，一般的交换机都只能提供三个人的电话会议，如果有更多的人参加会议，那就只能借助于专门的会议电话系统了。
程控交换机所提供的新业务远不止这几种，这里我们就不一一讲解了。
下面我们来看看，全世界的电话有八亿多部，为什么它们能够相互通话而不至于乱套呢？这靠的是有组织的全球电话网。
全球电话网
全世界的电话之所以能够相互通话，在于世界上所有的电话都按照一定的方式组织起来，形成了一个严格、有序的电话网络。
首先，世界上任何一部电话必须按照一定的规则予以编号，使每一部电话都拥有一个独一无二的电话号码。一个电话号码通常是由好几部分组成的，我国的电话号码由三部分构成，即国家号、长途区号和本地号码。国家代码是由世界各国、各地区共同召开的国际会议商讨确定的，例如，美国的国家代码是1，我国的国家代码是86，香港地区的代码是852等等。世界上每一个国家或地区，无论大小，都分配到一个不同长度的代码。如086—01—5463217这个号码中，86是我国的国家代码，01是北京地区的长途区号，5463217则是用户在北京地区的惟一号码。我们可以看到，通过这种方式，全世界的任何一部电话都能通过电话号码来区别。
然而，仅仅分配好了号码是不够的，所有这些电话还必须按照一定的层次结构组织成一个合理的系统。
让我们先来看看本地电话网的构成。本地电话网是长途电话网中的一个长途编号区，拥有惟一的长途区号。用户的话机通过用户线连到端局的交换机上，一个本地网中有好几个端局，各个端局通过汇接局联系起来，从而实现本地的电话交换。端局和汇接局还与长途局相连，从而可以与其他的本地网之间通长途电话。
我国有一千多个长途区号，也就是有一千多个这样的本地电话网，全国设有若干个不同等级的长途交换中心，本地电话网首先与较近的四级交换中心相连，各四级交换中心又与更大的三级交换中心相连，然后再连到二级、一级交换中心。全国共有八个一级交换中心，分别设在北京、上海、长春、沈阳、武汉、CD等八个大城市。全国的国际电话还要经过这八个一级交换中心与国际局接轨。同样，国际局也是分等级的，共有CT1、CT2、CT3三级，通过国际局就可以完成国际间长途电话的交换业务。
未来的电话世界
不管是现在还是将来，电话都是通信的一个重要工具，但是，未来的电话将会与现在大不一样。今天，电话主要是作为一种语音通信的工具被使用。
而未来的电话，将把语音和图像的传送结合起来，为用户提供视频服务。据统计，人们接受外界的信息，15%~20%是依靠听觉，而70%~80%则依靠视觉，人们用眼睛接受到的信息比耳朵要多得多。随着科学技术的发展，生活水平的提高，人们不仅仅满足于听到信息，对图像通信的需求也日益迫切。
因此，现代通信系统所传输的内容正由以话音信息为主逐步地变成多种媒体信息，未来电话的一个发展趋势是与图像通信的结合。
活动图像的带宽大约有6MHz，它的传送属于宽带业务，在普通电话线上一般无法进行。下世纪初，当“光纤到路边，光纤进入家庭”之后，在宽带综合业务数字网B—ISDN上，家庭中的图像通信是很容易实现的。但从现在的情况看来，ISDN网络还远未建成，设备价格仍然非常昂贵，而且还需要数字信道，必须增添相应的设备，其费用是普通用户难以承受的。幸运的是，技术的发展已经为我们找到了一种较为廉价的办法，那就是高速数字用户线（HDSL）技术和不对称数字用户线（ADSL）技术。
随着高速数字信号处理的理论方法和技术的进步，随着超大规模集成电路技术的突飞猛进，我们现在可以通过普通电话线双向传输高速数字信号，也就是高速数字用户线（HDSL）技术。
与HDSL技术相比，不对称数字用户线（ADSL）更适用于家庭。任何ADSL系统的信道频谱都分成三部分：一条4kHz的基本信道，用来传送电话业务；一条窄带的由用户到系统的信道，占用10kHz~50kHz之间的频谱；一条宽带的由系统到用户的信道，占用50kHz以上的频谱，用来传输视频数据。ADSL系统不提供双向的高速数据传送，因而频带可以更宽。当线径为0.5mm时，ADSL系统的传输速率可达6Mb/s甚至更高，距离可达3.6千米。
利用这些新技术，人们将能够享受可视电话、按需电视、远程学习等多种服务。
可视电话早在20世纪60年代就已出现，也曾一度为热门话题，但可视电话最终没能普及，原因在于它居高不下的费用与受电话线传送带宽的限制。美国AT＆T公司现已出售码率为19.2kb/s的可视电话，并能利用现有的电话线路传送。英国的Marconi公司也提供类似的可视电话。这些可在模拟电话线路中传送的图像，质量都较差，方块效应较严重，不能使用户满意。在解决了普通电话线传送宽带信号的问题后，优质的可视电话的通话费用将有可能降到与普通电话差不多的程度，可视电话业务将日渐普及。
按需电视也是非常有吸引力的视频业务之一。人们不仅希望通过电话线收到更多的节目，更希望能点播节目和自己安排收视时间。在家里，只要拿起话筒，拨一个电话号码，就能够收到你想看的电影或电视节目。这些影视节目是由影视数据库提供的。
身体不好或有某种残疾的儿童可以通过远程学习在家收看资料库里存储的授课节目。希望在业余时间自学的人们也可从中受益，可以自由地选择学习时间和所学内容。
HDSL和ADSL技术的应用前景十分广阔，如居家银行、居家办公、居家购物、远地医疗诊断等，更多的难以预料的新应用也会不断出现。
未来电话的另一个发展方向是向远程控制、监视、报警等领域渗透，为人们提供多样化的服务。语音识别和语音合成技术的发展，使得未来的电话将能够“听”懂人们说出的指令或代码，代替外出的人们控制洗衣机、电饭堡等家用电器的工作。我们还可以将防盗报警系统与电话相结合，制造出报警电话，用于家庭、办公室、商店等各种场合。技术的发展永远都不会停止，人类的想像力也是无穷的。谁又能预料明天的电话还会有什么更为新颖的用途呢？
　　飞向太空的电波
在人类通信的发展历史中，由于人们对通信容量的要求不断增长，通信用的频谱也不断向高频发展。20世纪40年代，二次大战中雷达的广泛使用推动了超短波和微波在通信领域的应用。
微波的频率非常高，在300MHz以上，它既不能像长波那样沿地表传播，也不能像短波一样利用电离层的反射作用传至远方，而只能沿直线传播。就是这也是有条件的。物理知识告诉我们，各种波在向前传播的过程中遇到障碍物时，只有当障碍物的大小远远小于波长时，波才能顺利地绕过障碍物，继续前进，否则就会被阻拦住。微波的波长不到一米，别说是高山，任何一座建筑物就能挡住它前进的道路。我们也知道，地球表面并不是平面，而是个球面，因此微波只能在地面上互相看得见的最远两点间传播。这段视线距离大约为50千米。
微波最早是应用于电视系统的。为了把信号传到很远的地方，人们想出了微波中继接力的方法，就是在传播途中，每隔几十千米的地方建一个中继站，把上一站的信号接收下来，放大，再向下一站发送。这样电视信号就被一站接一站地传到了远方。但是，这种方法需要建立数目可观的中继站。为了减少中继站的数目，人们千方百计地力图拉大相邻中继站间的距离。为此，人们耗费巨资，纷纷建筑高耸入云的天线塔，以扩大微波的视距传播范围。但是，用建造高塔的方法来加大视距，其效果是非常有限的，建筑物最多只能高到几百米，即使我们把天线塔建在小山顶上，有效的传播距离也难以超过一百千米。
借助于在地面上增高天线高度以实现远距离通信的方法已到了尽头，让我们把思路放得更开阔些来考虑这个问题。微波能够穿过电离层，飞到地球以外的空间去，如果把发射机悬挂在地球以外的高空中，它的作用不就可以像一座很高的发射塔，把信号传得很远吗？这一设想最早是出于英国一位科幻小说家的头脑，二十年后，这一早期的幻想变成了现实，那就是于20世纪