劉興亮 | 極簡(jiǎn)半導(dǎo)體發(fā)展史

01

寫(xiě)在前面的

自從人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了電，社會(huì)圖景發(fā)生了天翻地覆的巨變。這種看不見(jiàn)的流動(dòng)著的事物激活了生活，擴(kuò)大了視野和行動(dòng)半徑，增加了幸福，更帶來(lái)了電子信息時(shí)代的繁榮景象。電簡(jiǎn)直就是古代社會(huì)和現(xiàn)代社會(huì)的分化劑。

現(xiàn)代就是電氣時(shí)代。設(shè)想一個(gè)有趣的問(wèn)題，沒(méi)電了，你的生活還剩下什么？

電氣時(shí)代的發(fā)展有一個(gè)離不開(kāi)的核心部件：半導(dǎo)體。

聽(tīng)著很熟悉吧，半導(dǎo)體在中國(guó)人的記憶中幾乎等于收音機(jī)。為什么過(guò)去把收音機(jī)叫半導(dǎo)體呢？很簡(jiǎn)單，收音機(jī)里的主要部件就是半導(dǎo)體（其前身在20世紀(jì)五六十年代前是笨重的晶體管），其它的都是輔助材料。

那半導(dǎo)體在收音機(jī)里干什么呢？做放大器和振幅檢測(cè)器：放大器用來(lái)把微弱信號(hào)按比例放大（天線(xiàn)接受的信號(hào)是很弱的，聽(tīng)不清）；檢幅器用來(lái)從調(diào)幅波中恢復(fù)出其中攜帶的語(yǔ)音（低頻信號(hào)），舍掉高速的載波，是個(gè)篩選器（去雜音）。

02

半導(dǎo)體的工作原理

為何半導(dǎo)體能放大和篩選電流信號(hào)呢？這就涉及到半導(dǎo)體的工作原理。

首先，半導(dǎo)體材料主要是硅和鍺，中學(xué)生都知道。硅和鍺所以能被有效利用，是因?yàn)樗鼈兊脑拥淖钔鈱与娮訉佑?個(gè)價(jià)電子，這使得它們能夠同時(shí)獲得或失去相同的電子，既活躍又穩(wěn)定。

半導(dǎo)，顧名思義，是一種電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。N型或P型半導(dǎo)體一個(gè)具有活躍的電子，一個(gè)具有更多的電子穴，說(shuō)白了就是一個(gè)容易流出電子，一個(gè)容易流入電子。至于N型和P型半導(dǎo)體是如何形成的大家可以自己研究一下。

把N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合起來(lái)就形成了二極管，它是單向?qū)щ姷模?dāng)P端接正極電源時(shí)，N端的電子流向P端，形成電流回路；當(dāng)N端接正極時(shí)，電子受力方向與P端相反，沒(méi)辦法流向P端，這就絕緣了。如下圖：

那么收音機(jī)里用作放大和篩選電流信號(hào)的三極管，正好由三個(gè)半導(dǎo)體組成，這三個(gè)半導(dǎo)體摞在一起，形成NPN型三層，中間的叫基級(jí)，很薄，兩邊的叫集電極和發(fā)射級(jí)。如下圖：

單獨(dú)鏈接左右兩個(gè)N端（一邊作發(fā)射區(qū)，一邊做集電區(qū)），由于中間是P端（做基區(qū)），怎么都形不成電流。這時(shí)候，如果吧左邊的N端和P端接通，給一個(gè)小電流，N端發(fā)射區(qū)的電子涌入中間很薄的電子穴有限的P端基區(qū)，小部分電子留回N端，大部分電子被激活穿透了很薄的P端涌入右邊的N端集電區(qū)，這時(shí)候，左右兩個(gè)N端打通了，而且電流更大，這就等于一個(gè)放大器。當(dāng)然，也可以做開(kāi)關(guān)器。流動(dòng)示意圖如下：

以上最簡(jiǎn)單的二極管和三極管構(gòu)成了半導(dǎo)體發(fā)展的基石。從這種小構(gòu)件，可以控制電源的開(kāi)關(guān)，放大信號(hào)。隨著其自身的不斷發(fā)展和變化，最終形成了廣泛的材料覆蓋。當(dāng)今幾乎所有的電子技術(shù)都涉及半導(dǎo)體的使用，其中最重要的是集成電路，它廣泛應(yīng)用于臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦、掃描儀、手機(jī)和其他電子設(shè)備，尤其是現(xiàn)代武器。

半導(dǎo)體的發(fā)展經(jīng)歷了雖然不算漫長(zhǎng)但也曲折復(fù)雜的歷史，大致歸攏一下這激動(dòng)人心的歷史。

03

早期：發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體

1821 年，托馬斯·約翰·塞貝克 (Thomas Johann Seebeck)第一個(gè)注意到半導(dǎo)體具有特殊特性，他在進(jìn)行了一項(xiàng)有關(guān)塞貝克效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示半導(dǎo)體的應(yīng)用效果十分顯著。

1833年，科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)硫化銀有點(diǎn)「奇怪」，不像金屬那樣導(dǎo)電特別好，也不像木頭那樣完全不導(dǎo)電，而是介于兩者之間。這些材料的導(dǎo)電能力會(huì)隨著溫度、光照等條件變化。

1839 年，亞歷山大·愛(ài)德蒙·貝克勒爾 (Alexandre Edmond Becquerel)報(bào)告稱(chēng)，在光照下，固體和液體電解質(zhì)之間會(huì)產(chǎn)生電壓，即光伏效應(yīng)。

1873 年，威洛比·史密斯 (Willoughby Smith)觀察到硒電阻器在光照下會(huì)表現(xiàn)出電阻減小的現(xiàn)象。

1874 年，卡爾·費(fèi)迪南德·布勞恩 (Karl Ferdinand Braun)觀察到金屬硫化物的傳導(dǎo)和整流。布勞恩的研究是最早對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行系統(tǒng)性研究的成果。這實(shí)際上是最早的「二極管」現(xiàn)象），為后續(xù)器件發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

同樣在1874年，亞瑟·舒斯特（Arthur Schuster）發(fā)現(xiàn)電線(xiàn)上的氧化銅層具有整流特性，這種特性在電線(xiàn)清潔后會(huì)消失。

04

理論發(fā)展期

1878年，埃德溫·赫伯特·霍爾證明了流動(dòng)電荷載體在施加磁場(chǎng)作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即霍爾效應(yīng)。

1897年，湯姆森發(fā)現(xiàn)了電子，引發(fā)了基于電子的固體傳導(dǎo)理論的產(chǎn)生?？枴へ惖驴藸柾ㄟ^(guò)觀察與金屬中符號(hào)相反的霍爾效應(yīng)，推斷碘化銅具有正電荷載體。

1914年，約翰·科尼格斯伯格將固體材料分為金屬、絕緣體和「可變導(dǎo)體」，與此同時(shí)他的學(xué)生 Josef Weiss 在其博士論文中已經(jīng)引入了Halbleiter（現(xiàn)代意義上的半導(dǎo)體）一詞。

1928年，費(fèi)利克斯·布洛赫于發(fā)表了電子在原子晶格中運(yùn)動(dòng)的理論。

1930年，B.古登指出，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性是由微小的雜質(zhì)濃度引起的。這很重要。

1931年，艾倫·赫里斯·威爾遜（Alan Herries Wilson）建立了傳導(dǎo)的能帶理論，并提出了帶隙的概念。沃爾特·H·肖特基和內(nèi)維爾·弗朗西斯·莫特（Nevill Francis Mott）開(kāi)發(fā)了勢(shì)壘模型和金屬半導(dǎo)體結(jié)的特性模型。

1938年，鮑里斯·達(dá)維多夫（Boris Davydov）發(fā)展了氧化銅整流器理論，確定了P-N結(jié)的效應(yīng)以及少數(shù)載流子和表面態(tài)的重要性。半導(dǎo)體基本出現(xiàn)了。

05

二極管與晶體管時(shí)代

1922 年，奧列格·洛謝夫研制出用于無(wú)線(xiàn)電的雙端負(fù)阻放大器。

1926 年，尤利烏斯·埃德加·利利菲爾德申請(qǐng)了一種類(lèi)似場(chǎng)效應(yīng)晶體管的裝置的專(zhuān)利，但并不實(shí)用。

1938年，德國(guó)的R.希爾施和RW波爾展示了一種固態(tài)放大器，采用類(lèi)似真空管控制柵極的結(jié)構(gòu)。雖然該裝置顯示出功率增益，但截止頻率為每秒一個(gè)周期，對(duì)于任何實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)都太低，但卻是當(dāng)時(shí)理論的有效應(yīng)用。

1938年，威廉·肖克利和A·霍爾頓在貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始研究固態(tài)放大器。

1941年，拉塞爾·奧爾觀察到了第一個(gè)硅P-N結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)他發(fā)現(xiàn)一個(gè)樣本對(duì)光敏感，其一端是P型雜質(zhì)，另一端是N型雜質(zhì)，兩者之間有一條清晰的邊界。從該樣本的P-N邊界處切下的薄片在光照下會(huì)產(chǎn)生電壓。這是關(guān)鍵的一年。

1947年，第一個(gè)能工作的晶體管——點(diǎn)接觸晶體管，由約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉·肖克利于在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明。

二戰(zhàn)期間，赫伯特·馬塔雷在法國(guó)觀察到了鍺基片上相鄰點(diǎn)接觸之間的放大效應(yīng)。

第二次世界大戰(zhàn)戰(zhàn)后，貝爾實(shí)驗(yàn)室宣布發(fā)明「晶體管」后不久，馬塔雷的團(tuán)隊(duì)就宣布了他們的「Transistron」放大器。

1954年，物理化學(xué)家莫里斯·塔南鮑姆在貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出了第一個(gè)硅結(jié)型晶體管。晶體管的出現(xiàn)，徹底改變了電子產(chǎn)品的面貌，也為后來(lái)的信息時(shí)代打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

06

集成電路的出現(xiàn)與發(fā)展

晶體管雖然好，但如果一個(gè)電子設(shè)備需要成千上萬(wàn)個(gè)晶體管，那組裝起來(lái)還是太麻煩了。

1958年，美國(guó)的德州儀器公司的基爾比發(fā)明了集成電路。他把多個(gè)晶體管、電阻、電容等元器件，一次性制作在一小塊半導(dǎo)體材料上，通過(guò)內(nèi)部連接，形成了一個(gè)完整的電路單元。這就像把很多小零件打包成一個(gè)大件，大大簡(jiǎn)化了電子產(chǎn)品的制造工藝，也讓電子設(shè)備變得更小、更強(qiáng)大。從此，半導(dǎo)體進(jìn)入了「集成化」的小而精時(shí)代，開(kāi)啟了現(xiàn)代微電子技術(shù)的新階段。

集成電路問(wèn)世后，英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出了著名的摩爾定律。他認(rèn)為集成電路上可容納的元器件數(shù)量大約每18-24個(gè)月就會(huì)翻一番，性能也會(huì)隨之提升，成本卻會(huì)下降。這個(gè)定律就像一個(gè)魔咒，推動(dòng)著半導(dǎo)體技術(shù)一路狂飆。芯片變得越來(lái)越小、越來(lái)越快、越來(lái)越便宜。

1971年，英特爾（Intel）推出全球第一塊微處理器4004，實(shí)際上是將CPU功能集于一塊芯片上。隨著芯片的發(fā)展，也影響了電腦和互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，以及智能手機(jī)的普及，等等。

20世紀(jì)80年代至今，超大規(guī)模集成技術(shù)不斷發(fā)展，現(xiàn)代芯片已經(jīng)發(fā)展到可以集成數(shù)千萬(wàn)甚至數(shù)千億晶體管。CMOS技術(shù)成為主體工藝，與雙極技術(shù)（BJT）徹底分離。CPU由80486發(fā)展到Pentium、Core系列，GPU由渲染輔助轉(zhuǎn)為高度并行的數(shù)據(jù)處理器。

再退三十年，你是無(wú)法設(shè)想如今人們手中小小手機(jī)的強(qiáng)大功能的，那簡(jiǎn)直是天方夜譚?？伤褪乾F(xiàn)實(shí)。

07

未來(lái)世界

現(xiàn)在，半導(dǎo)體技術(shù)還在不斷發(fā)展，我們正在追求更小的制程（比如幾納米的芯片）、更強(qiáng)大的計(jì)算能力（比如AI芯片），以及更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。這也成為中國(guó)與西方在意識(shí)形態(tài)對(duì)壘的情形下，進(jìn)行科技博弈的關(guān)鍵所在。

簡(jiǎn)單概括一下，半導(dǎo)體的歷史就是從最初發(fā)現(xiàn)材料的特殊性，到發(fā)明晶體管，再到集成電路，然后不斷追求集成度更高、性能更強(qiáng)的芯片，從而徹底改變了人類(lèi)生活，開(kāi)啟了信息時(shí)代的一部科技史。

但是，我發(fā)現(xiàn)一個(gè)悲哀的事實(shí)，在整個(gè)半導(dǎo)體的發(fā)展歷程中，沒(méi)有中國(guó)人的影子。對(duì)此，我們是否應(yīng)該做一些反省，以便知恥而后勇？

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