1947 年12 月23 日，美國貝爾實驗室正式地成功演示了第一個基于鍺半導體的具有放大功能的點接觸式晶體管，標志著現(xiàn)代半導體產(chǎn)業(yè)的誕生和信息時代的開啟。晶體管可以說是20 世紀最重要的發(fā)明，到今天已經(jīng)整整70 年了。

嚴格地說，晶體管泛指一切的單個半導體元件，經(jīng)常用來指代半導體材料制成的三極管、場效應管，等等。它的英文名字是transistor，來自于trans-resistance(即transfer resistance)，也就是所謂的“跨阻”，指的是輸出端電壓變化與輸入端電流變化的比值(單位是歐姆)，反映了輸入對輸出的影響能力。晶體三極管進入中國的時候，真空三極管還在廣泛使用，晶體三極管的巨大成功使得晶體管不僅特指與英文原名transistor 似乎關(guān)系不大的晶體三極管，更是泛指了所有的單個半導體元件。

晶體管的誕生

在晶體管誕生之前，電信號的放大主要是通過電子管(真空三極管)。這種器件是1907 年由德福雷斯特(L. Forest )發(fā)明的，其實質(zhì)是在1904 年弗萊明(J. Fleming)發(fā)明的真空二極管的陰極和陽極之間添加了另一個電極(所以稱為“三極管”)，從而實現(xiàn)了電流的放大功能，后來又因為“反饋”概念的引入而進一步改善了器件性能。真空三極管制作起來很困難、壽命很短，而且體積大、耗能高、易損壞，嚴重限制了其應用范圍，人們一直希望能夠用固態(tài)器件來替換它。一個簡單的想法(但是在當時很難實現(xiàn))就是，往半導體整流器(二極管)里放置一個柵極。1938 年，德國的希爾什(R. Hilsch)和珀爾(R.Pohl)把三個電極插入溴化鉀晶體里，成功地演示了第一個基于色心的晶體管模型，可惜其工作頻率只有1 Hz 甚至更差。此后，其他人也做過一些嘗試，但是都沒有成功。

1945 年，貝爾實驗室計劃針對幾種新材料(包括硅和鍺)進行有目標的基礎(chǔ)研究(類似于我們現(xiàn)在說的“ 應用基礎(chǔ)研究”)，以了解其潛在的應用前景。為此成立了“半導體小組”，肖克利(W. Shockley)是組長，成員包括巴丁(J. Bardeen)和布拉頓(W.Brattain)。肖克利和巴丁都是理論物理學家，而布拉頓則是實驗物理學家(圖1)。起初的工作是基于肖克利偏愛的金屬-半導體結(jié)構(gòu)，在多次嘗試失敗

之后，巴丁認識到半導體的表面缺陷有著非常不利的影響，必須找到“鈍化”表面(消除缺陷)的方法。從1947 年11 月起的短短幾個月時間里，他們?nèi)〉昧酥卮蟮倪M展，終于實現(xiàn)了第一個半導體晶體管。

圖1 從左到右，巴丁(1908~1991)、肖克利(1910~1989)和布拉頓(1902~1987)。他們的關(guān)系并不像照片里顯示的這么融洽

實際上，這個時期發(fā)明了兩種全然不同的晶體管：巴丁和布拉頓在1947 年12 月發(fā)明了點接觸式晶體管(圖2)，把間距為50 μm的兩個金電極壓在鍺半導體上，微小的電信號由一個金電極“( 發(fā)射極”)進入鍺半導體“( 基極”)、被顯著放大，并通過另一個金電極“( 集電極”)輸出，這個器件在1kHz的增益為4.5；一個月后，肖克利發(fā)明了三明治結(jié)構(gòu)的雙極性結(jié)式晶體管，最外面的兩層是N 型半導體，中間則是P 型半導體，但是直到1950 年，蒂爾(G. Teal)和斯帕克斯(M. Sparks) 才制作出鍺基NPN 結(jié)式晶體管。從實用的角度來看，點接觸式晶體管的產(chǎn)量非常有限，不能算是商業(yè)上的成功；結(jié)式晶體管卻使得現(xiàn)代半導體工藝成為可能，為許多半導體公司的興起做出了重大貢獻。1956 年，巴丁、布拉頓和肖克利因為晶體管的發(fā)明而獲得了諾貝爾物理學獎。晶體管發(fā)明的歷史其實很復雜，牽扯到科學和技術(shù)、團體和社會之間的微妙關(guān)系，詳細的描述可以參閱科學史專著①和科普書籍②③。

圖2 巴丁和布拉頓發(fā)明的點接觸式晶體管

晶體管發(fā)明之前的半導體科技

第二次世界大戰(zhàn)剛剛結(jié)束兩年，晶體管就被成功地研制出來了。為什么是這個時候？為什么不能更早些呢？因為半導體科技的發(fā)展是材料、物理和器件這三者相互促進、相輔相成的結(jié)果：為了制作性能好的器件，需要了解材料的物理特性以及相應的物理過程和規(guī)律，而這又需要可靠的儀器來測量質(zhì)量足夠好的材料。此前的條件還不夠成熟。

半導體科學研究始于19 世紀初葉，那時候研究的都是自然界里的材料(礦石晶體)：1833 年，法拉第(M. Faraday)在研究硫化銀的電導時，第一次觀察到電阻的負溫度系數(shù)；1873 年，史密斯(W. Smith)在體材料硒中發(fā)現(xiàn)光電導效應；1874 年，布勞恩(K.Braun)在一些金屬硫化物表面發(fā)現(xiàn)了整流效應；1876 年，亞當斯(W. Adams)和戴伊(R. Day)在硒材料里發(fā)現(xiàn)了光伏效應；1879 年，霍爾(E. Hall)發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)在所謂的“霍爾效應”，并在某些材料中發(fā)現(xiàn)了帶有正電荷的載流子。也就是說，在晶體管發(fā)明之前70 年，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了半導體材料的幾大基本特性：電阻率的負溫度系數(shù)和光電導效應(都是體材料的效應)，光伏效應和整流效應(某種半導體與其他材料之間的接觸效應)，存在正電荷的載流子(這就是半導體中的“空穴”)。

在這個時期，人們既不理解決定材料特性的基本理論，也不能自己制備高質(zhì)量的材料，表征技術(shù)也很粗糙，只能用試錯法來摸索。此后的研究取得了一定的進展，特別是發(fā)明了基于金屬-半導體材料接觸的整流器，在無線電通訊中發(fā)揮了重要作用，布勞恩也因此(與馬可尼一起)獲得了1909 年的諾貝爾物理學獎。

真正的轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在1926 年新量子力學理論誕生以后。1931 年，英國的威爾遜(A. Wilson)將量子理論應用到晶體里，提出了能帶理論，終于能夠解釋金屬、半導體和絕緣體在導電性上的差別，能隙決定了半導體的特性。1932 年，他又提出了雜質(zhì)能級和缺陷能級的概念，為理解摻雜半導體的導電機理做出了重大貢獻。1939 年，他出版了《半導體與金屬》(Semi-conductors and Metals)。1939 年，蘇聯(lián)的達維多夫(A. Davydov)、英國的莫特(N. Mott)和德國的肖特基(W. Schottky )獨立提出了勢壘理論，解釋金屬-半導體接觸的整流效應。1940 年，塞茲(F. Seitz)出版了《現(xiàn)代固體理論》(The Modern Theory of Solids)。至此，晶體管的基礎(chǔ)理論工作就齊全了。

與此同時，半導體材料的生長技術(shù)也有了長足的進步。在20 世紀40 年代，垂直冷卻法被用于硅和鍺，并首次觀察到了p-n 結(jié)。拉晶法和逐區(qū)精煉法也是在那個時期提出的，并且從鍺熔液和硅熔液里拉出了單晶。貝爾實驗室的歐爾(R. Ohl)和蒂爾一直致力于提純鍺和硅以及制備大塊單晶的工藝。

布拉頓曾經(jīng)學習過量子力學，早在30 年代就在貝爾實驗室工作，嘗試過肖克利的想法、用氧化亞銅制作半導體放大器，也多次嘗試過實現(xiàn)固體三極管的可能性，但是都沒有成功。到了二戰(zhàn)結(jié)束的時候，理論和材料準備好了，器件也就水到渠成了。1947 年12 月，布拉頓和巴丁終于成功地發(fā)明了點接觸式晶體管。當時還有其他人也在做這件事情，即使貝爾實驗室做不出來，其他地方也能做出來。比如說，1948 年4 月，馬塔利(H. Mataré)和維爾克(H. Welker)在法國獨立地發(fā)明了點接觸式晶體管。

晶體管發(fā)明以后

從20 世紀50 年代起，晶體管開始逐漸替代真空電子管，并最終實現(xiàn)了集成電路和微處理器的大批量生產(chǎn)。

起初，晶體管和晶體管化的設備并不受歡迎，因為它太貴了。但是美國軍方很感興趣，因為軍用設備對便攜性、可靠性和耐用性有著特殊的要求。在50 年代的大部分時間里，正是美國軍方的支持才讓年輕的晶體管產(chǎn)業(yè)生存下來。1957 年，蘇聯(lián)衛(wèi)星“斯普尼克”上天，正式掀起了美蘇太空競賽的序幕。1961 年，美國肯尼迪總統(tǒng)宣布“在1970 年以前把人送到月球上”。與蘇聯(lián)相比，美國的火箭技術(shù)略微落后一些，所以減輕重量就更有必要了，所有的電子設備都盡可能地是用晶體管。以晶體管為基礎(chǔ)的半導體產(chǎn)業(yè)也因此而突飛猛進。集成電路成為了這個時期的主角。

在晶體管誕生以后的十年里，出現(xiàn)了很多新型的晶體管。1950 年，日本的西澤潤一(J. Nishizawa)和渡邊寧(Y. Watanabe)發(fā)明了結(jié)式場效應晶體管(JFET)。1952 年，基于晶體管的助聽器和收音機就投入市場了。1954 年，貝爾實驗室的坦恩鮑姆(M.Tanenbaum)制備了第一個硅晶體管；同一年，跳槽到德州儀器公司的蒂爾實現(xiàn)了商業(yè)化的硅晶體管。1956 年，通用電氣公司發(fā)明了晶閘管。在這個時期，晶體管化的電子線路是通過導線把單個半導體元件連在一起的，已經(jīng)初步展示了半導體器件的威力。以電子計算機為例，第一臺通用電子計算機ENIAC 是在1946 年投入使用(圖3)，1956 年退役，它使用了大約2 萬根真空三極管，占用了一間大房子(167 平方米)，耗電150kW，計算能力僅為每秒鐘

進行5000 次加減法(20 位的十進制數(shù))。1954 年，貝爾實驗室開發(fā)了第一臺晶體管化的計算機TRADIC，使用了大約700 個晶體管和1 萬個鍺二極管，每秒鐘可以執(zhí)行1 百萬次邏輯操作，功率僅為100瓦。1955 年，IBM公司開發(fā)了包含2000 個晶體管的商用計算機。

圖3 第一臺通用電子計算機ENIAC

單個半導體元件雖然很有用，但是，如果能夠把幾個晶體管結(jié)合在同一塊半導體材料上，肯定會更有用的。在20 世紀50 年代，很多人都有了這個念頭，但是第一個實現(xiàn)了這個想法的是德州儀器公司的基爾比(J. Kilby)。1958 年9 月12 日，他制作了第一個鍺片上的集成電路(圖4)，其中的晶體管和被動元件是用金絲連接起來的。1959 年，仙童公司的諾伊斯(R. Noyce ，他后來創(chuàng)立了英特爾公司)提交了平面工藝的專利，用鋁作為導電條制備集成電路。從此，集成電路的時代開始了。2000 年，基爾比因為發(fā)明了集成電路而榮獲諾貝爾物理學獎。

圖4 基爾比（1923~2005）和他制作的第一片集成電路

接下來的十年，晶體管的進展就更加迅猛了。簡單舉幾個例子吧。1959 年，貝爾實驗室的卡恩(D. Kahng)和艾塔拉(M. Atalla)發(fā)明了金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，這是1925 年李林菲爾德(J. Lilienfeld)提出的場效應晶體管概念的具體實現(xiàn)；1967 年，卡恩和施敏(S. M. Sze)制作了浮柵型MOSFET，為半導體存儲技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。1965年還發(fā)生了一件大事，仙童公司的摩爾(G. Moore ，他也是英特爾的創(chuàng)始人之一) 提出了摩爾定律(Moore’s law，圖5)：集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18~24 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍(摩爾定律起初說是每年翻一番，十年后改為兩年翻一番)。這個定律本來是描述此前半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗公式，結(jié)果竟然奇跡般地揭示了此后五十多年信息技術(shù)進步的速度。為了協(xié)調(diào)半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從90 年代起，國際半導體產(chǎn)業(yè)界開始籌劃研究路線圖，包括美歐日韓及中國***等半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)達的國家和地區(qū)。從1998 年開始，半導體技術(shù)國際路線圖( International Technology Roadmap for Semiconductors)每兩年發(fā)布一次。然而，2016 年發(fā)布的新的路線圖，首次不再強調(diào)摩爾定律，而是超越摩爾的戰(zhàn)略(More than Moore strategy)：以前是芯片先行、應用跟隨(應用跟著芯片走)，今后則是芯片為應用服務。

圖5 摩爾定律（1900~2020）

自摩爾定律誕生以來，半導體科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日新月異、突飛猛進。1969 年，貝爾實驗室的博伊爾(W. Boyle)和史密斯(G. Smith)發(fā)明了電荷耦合器件(CCD)，并最終引發(fā)了照相技術(shù)的大革命，使用了一百多年的照片被淘汰了，每個人的手機上有攝像頭了。1971 年，英特爾公司推出了第一批4 位的商用微處理器Intel 4004(具有2300 個晶體管)，1972年更是推出了8 位的商用微處理器Intel 8008(具有3500 個晶體管)，起初是導致了袖珍計算器的普及，進而導致了個人電腦的出現(xiàn)。1976 年，克雷公司推出了Cray-1 超級計算機，運算速度達到了驚人的2.5 億次。此后，蘋果個人電腦、IBM兼容機、互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和發(fā)展，終于把我們帶到了大數(shù)據(jù)的時代，發(fā)生在2016 年的兩大代表性事件就是：阿爾法狗(AlphaGo)戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍李世石；“神威·太湖之光”奪得超級計算機世界排行榜的第一名，每秒可以實現(xiàn)9.3 億億次的浮點運算。這些進展肯定不可能在這篇短文里描述了。表一匯總了諾貝爾物理學獎授予給半導體科技的情況，讓大家浮光掠影地感受一下。

接下來就轉(zhuǎn)而談談半導體科技在中國的發(fā)展過程。

中國的半導體科技

晶體管發(fā)明的時候，中國還處于解放戰(zhàn)爭時期。新中國建立以后，許多半導體科技專家相繼回國，開始了中國半導體科技的征程。以黃昆、謝希德、林蘭英、王守武、湯定元、洪朝生、高鼎三、成眾志為代表的老一輩科學家們?yōu)槲覈雽w事業(yè)的人才培養(yǎng)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出了巨大的貢獻。

1956 年，中國物理學會主辦了“半導體物理討論會”，并于1957 年出版了《半導體會議文集》。這次盛會拓展了國內(nèi)半導體事業(yè)，對我國半導體科學技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響，最終促使半導體科學技術(shù)列入我國《十二年科學技術(shù)遠景規(guī)劃》，成為五十七項任務之一?？茖W規(guī)劃委員會還提出了“發(fā)展計算技術(shù)、半導體技術(shù)、無線電電子學、自動學和遠距離操縱技術(shù)的緊急措施方案”并得到了批準。

1956~1958 年，我國創(chuàng)辦了第一個五校聯(lián)合半導體專業(yè)，開始自主培養(yǎng)半導體科技人才。1962 年舉行了全國第二次半導體學術(shù)會議。自1979 年起，全國半導體物理學術(shù)會議每兩年召開一次，第21 屆會議2017 年在南京大學召開。這些會議以及國內(nèi)其他的半導體科技學術(shù)會議，促進了國內(nèi)半導體研究領(lǐng)域的學術(shù)交流，幫助大家了解國際重大前沿領(lǐng)域的發(fā)展動向，有效地提升了國內(nèi)半導體科技領(lǐng)域的研究水平。

在材料和器件方面，我國的科研人員也做出了成績。1957 年，拉出了鍺單晶，研制了鍺晶體管；1959 年，硅單晶；1962 年，砷化鎵(GaAs)單晶；1962年，研制硅外延工藝；1965 年，硅基晶體管；1966 年，TTL 電路產(chǎn)品出現(xiàn)，標志著我國已經(jīng)能夠制作小規(guī)模集成電路。

從20 世紀70 年代起，我國陸續(xù)建成投產(chǎn)了以國營東光電工廠(878 廠)和上海無線電19 廠為代表的幾十家集成電路工廠。1976 年，中國科學院計算所研制成功1000 萬次大型電子計算機。改革開放以后，更是加速引進國外先進技術(shù)。在每一個五年計劃期間，都制定了半導體科技特別是集成電路技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略并進行科技攻關(guān)。

2000 年，國務院發(fā)布了《鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策》。從此，國內(nèi)成立了多家國家級IC 設計產(chǎn)業(yè)化基地和包括中芯國際在內(nèi)的很多半導體科技公司，英特爾、三星等國外公司也在中國建廠。然而，也是在此時期，中國半導體集成電路芯片進口迅速增加，現(xiàn)在每年的進口總額超過了兩千億美元(約人民幣1.5 萬億)，甚至超過了石油。2014 年，國家大基金成立，標志著政府對以集成電路為代表的半導體科學技術(shù)的重視，但是具體效果還有待觀察，而且這幾年里也多次傳來消息說，中國在海外并購半導體企業(yè)時受到了外國政府以國家安全為由的各種阻撓。

回顧新中國六十多年的發(fā)展歷史，我們可以看到，國家一直非常重視半導體科學技術(shù)，建立了半導體研究和生產(chǎn)的體系，并形成了一個基本的框架，為國民經(jīng)濟建設和國防事業(yè)服務。但是，由于國民經(jīng)濟水平的限制，國家對半導體研究的投資畢竟不能跟西方發(fā)達國家相比(相當大的人力物力財力需要投入到兩彈一星這樣保障國家根本安全的領(lǐng)域)。改革開放以來，我國與國際水平的差距卻

越來越大了。原因大約有這么幾個：優(yōu)秀青年人才被發(fā)達國家“挖走了”，留在國內(nèi)的也大多選擇經(jīng)濟收入更好的行業(yè)；隨著老一代科研人員的退休，許多學校的半導體專業(yè)都萎縮了；科研模式的變化也有一定的影響，除了為軍工服務的一些研究所以外，科學院和大學里的研究開始從以前的團體作戰(zhàn)模式逐漸變化為科研個體戶模式，原先有著整體規(guī)劃的教研室和課題組都逐漸消亡或者名存實亡了；產(chǎn)業(yè)界的研究更關(guān)注短期成效，對半導體科技研究的長期投入不感興趣。最近十年以來，國家對半導體科技的重視程度日益增大，但是要想看到成效，仍然需要更多的投入和時間。

總結(jié)

回顧晶體管誕生以來國際半導體科技發(fā)展的七十年歷史，我們不難看到，基礎(chǔ)科學研究對國民經(jīng)濟和國防安全有著重大意義，而科技產(chǎn)業(yè)的需求反過來又進一步推動了基礎(chǔ)科學研究的進步，2014年獲得諾貝爾物理學獎的白光LED就是一個很好的例證，而且正在為全球性的節(jié)能減排工作做出重大的貢獻。

對于半導體科技這種關(guān)系國計民生的高投入、高產(chǎn)出的重大領(lǐng)域，沒有長遠的規(guī)劃、沒有充分的投入，是不會有如意的結(jié)果?，F(xiàn)在，中國經(jīng)濟已經(jīng)有了巨大的進步，完全有能力而且也有必要投入半導體研究：重新規(guī)劃大學院系的教學模式、重新設計項目課題的研究方式、重新協(xié)調(diào)科研與生產(chǎn)的關(guān)系，“十年生聚，十年教訓”，二十年后，無論是科研還是生產(chǎn)，中國應該有著最強大的半導體事業(yè)。