生活如果没有晶体管将会截然不同。首先，就不会有个人电脑和手机，也就没有亚马逊、电子游戏、约会应用、即时通讯、视频流媒体、社交媒体、Apple Pay或Google地图，更别提人工智能了。汽车中含有数十亿个晶体管，它们无处不在。那么，晶体管到底是什么？

理解这项关键技术的最好方法，是追溯其发展历程，回到19世纪电报中使用的电气继电器。

电气继电器

电报线路本质上是长距离的电路。你可能没想过，它们是由电池供电的——那时还没有电网，电报站里有一整间柜子的低压原始电池。

1835年发明的电气继电器，是这些系统中的关键部件。它本质上是一个开关，可以打开或关闭电流，就像你用来开关灯的墙壁开关一样。但继电器没有手指，它用第二个电流来控制开关。为什么用电流去控制另一个电流呢？这是个好问题。

假设你想在50英里外的另一个城镇打开一盏灯。你会在电线杆上拉长长的电线，然后通过开关控制灯的开关，甚至用点和划的代码发送文本信息。但问题是：电线越长，电阻越大，电流传输不足，信号难以辨认。

解决方案是将电路分成两段25英里长的线路，中间用继电器连接。当你关闭第一段电路的开关时，继电器被激活，第二个电池通过继电器控制的电路传递相同的电流模式，点亮灯泡。电报机用的是蜂鸣器，原理相同。继电器至今仍被广泛使用，利用一个电流去控制另一个电流的想法开启了无限可能。例如，在汽车中，低功率的仪表盘控制可以通过继电器开启高功率电路，控制启动器、车灯或空调。

继电器的工作原理其实就是电磁铁。内部有一圈绕在铁芯上的线圈，当控制电流通过时，会产生磁场，吸引金属开关接触输出电路。你可能听过继电器的声音，比如烤箱恒温器开关时的“咔嗒”声。

真空管

继电器虽然有用，但只是简单的开关。1905年左右发明的真空管则类似于可变继电器，使得老式收音机成为可能。

真空管可以看作是改良版的灯泡。白炽灯泡里有一根细丝通电发热发光，丝被放在抽空的玻璃管内以防氧化。但当丝发热时，会释放电子。电子流就是电流，可以用这些热电子来控制电流。真空管内部有一个收集极，电子从丝流向收集极形成输出电流。

如果在丝和收集极之间加一个控制极（栅极），通过施加负电压可以阻止电子流，减少输出电流；施加正电压则增加输出电流。这样，真空管就成了一个由控制电流调节输出电流的开关，而且没有机械接触，响应速度更快，输出电流也可以连续变化。

这使得音频放大器成为可能。远距离收音机信号弱，无法驱动扬声器，但通过真空管放大后，声音变得清晰可听。

此外，真空管还能构建计算机。早期计算机由大量真空管组成逻辑门，输入信号为1伏或0伏。AND门有两个输入，只有两个输入均为1伏时输出才为1伏；OR门只要有一个输入为1伏就输出1伏。

虽然用继电器也能做计算机，但继电器速度慢且噪音大，真空管无机械部件，工作安静且速度快，改变了计算机的发展。

晶体管

不过，真空管有三个缺点：耗电大，早期计算机发热严重，需要庞大冷却系统且运行成本高；管子易损坏，需频繁维护；体积庞大，如1945年的ENIAC占据整间房间。

1947年贝尔实验室发明的晶体管解决了这些问题，采用半导体材料。半导体介于导体和绝缘体之间，能根据条件切换导电状态。

半导体有两种类型：掺入多余电子的n型半导体和缺电子的p型半导体（电子空穴）。晶体管由不同类型半导体组合而成，如NPN晶体管，两个n型半导体夹着一个p型半导体，阻止电子从输入端流向输出端。但当控制端施加电压时，电子可以流向输出端，实现电流开关功能，且控制更精细。

最重要的是，晶体管可以大规模微型化。1950年代和60年代，笨重的收音机被便携的“晶体管收音机”取代，内含6到10个晶体管。如今，iPhone 17 Pro中含有多达300亿个晶体管，正是它们让我们的计算机世界得以运行。