1947 年12 月23 日，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室正式地成功演示了第一個基于鍺半導(dǎo)體的具有放大功能的點(diǎn)接觸式晶體管，標(biāo)志著現(xiàn)代半導(dǎo)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(jì)最重要的發(fā)明，到今天已經(jīng)整整70 年了。

嚴(yán)格地說，晶體管泛指一切的單個半導(dǎo)體元件，經(jīng)常用來指代半導(dǎo)體材料制成的三極管、場效應(yīng)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(jìn)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(dǎo)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(shí)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(shí)現(xiàn)了電流的放大功能，后來又因?yàn)椤胺答仭备拍畹囊攵M(jìn)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(yán)重限制了其應(yīng)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(dāng)時很難實(shí)現(xiàn))就是，往半導(dǎo)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(shí)驗(yàn)室計劃針對幾種新材料(包括硅和鍺)進(jìn)行有目標(biāo)的基礎(chǔ)研究(類似于我們現(xiàn)在說的“ 應(yīng)用基礎(chǔ)研究”)，以了解其潛在的應(yīng)用前景。為此成立了“半導(dǎo)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(xué)家，而布拉頓則是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家(圖1)。起初的工作是基于肖克利偏愛的金屬-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在多次嘗試失敗

之后，巴丁認(rèn)識到半導(dǎo)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(jìn)展，終于實(shí)現(xiàn)了第一個半導(dǎo)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(shí)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(diǎn)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(dǎo)體上，微小的電信號由一個金電極“( 發(fā)射極”)進(jìn)入鍺半導(dǎo)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(dǎo)體，中間則是P 型半導(dǎo)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(shí)用的角度來看，點(diǎn)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(dǎo)體工藝成為可能，為許多半導(dǎo)體公司的興起做出了重大貢獻(xiàn)。1956 年，巴丁、布拉頓和肖克利因?yàn)榫w管的發(fā)明而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。晶體管發(fā)明的歷史其實(shí)很復(fù)雜，牽扯到科學(xué)和技術(shù)、團(tuán)體和社會之間的微妙關(guān)系，詳細(xì)的描述可以參閱科學(xué)史專著①和科普書籍②③。

圖2 巴丁和布拉頓發(fā)明的點(diǎn)接觸式晶體管

晶體管發(fā)明之前的半導(dǎo)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?yàn)榘雽?dǎo)體科技的發(fā)展是材料、物理和器件這三者相互促進(jìn)、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(yīng)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(dǎo)體科學(xué)研究始于19 世紀(jì)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(dǎo)時，第一次觀察到電阻的負(fù)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(dǎo)效應(yīng)；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(yīng)；1876 年，亞當(dāng)斯(W. Adams)和戴伊(R. Day)在硒材料里發(fā)現(xiàn)了光伏效應(yīng)；1879 年，霍爾(E. Hall)發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)在所謂的“霍爾效應(yīng)”，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(dǎo)體材料的幾大基本特性：電阻率的負(fù)溫度系數(shù)和光電導(dǎo)效應(yīng)(都是體材料的效應(yīng))，光伏效應(yīng)和整流效應(yīng)(某種半導(dǎo)體與其他材料之間的接觸效應(yīng))，存在正電荷的載流子(這就是半導(dǎo)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(jìn)展，特別是發(fā)明了基于金屬-半導(dǎo)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(xué)獎。

真正的轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在1926 年新量子力學(xué)理論誕生以后。1931 年，英國的威爾遜(A. Wilson)將量子理論應(yīng)用到晶體里，提出了能帶理論，終于能夠解釋金屬、半導(dǎo)體和絕緣體在導(dǎo)電性上的差別，能隙決定了半導(dǎo)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(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理做出了重大貢獻(xiàn)。1939 年，他出版了《半導(dǎo)體與金屬》(Semi-conductors and Metals)。1939 年，蘇聯(lián)的達(dá)維多夫(A. Davydov)、英國的莫特(N. Mott)和德國的肖特基(W. Schottky )獨(dú)立提出了勢壘理論，解釋金屬-半導(dǎo)體接觸的整流效應(yīng)。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(dǎo)體材料的生長技術(shù)也有了長足的進(jìn)步。在20 世紀(jì)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(shí)驗(yàn)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(xué)習(xí)過量子力學(xué)，早在30 年代就在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作，嘗試過肖克利的想法、用氧化亞銅制作半導(dǎo)體放大器，也多次嘗試過實(shí)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(zhǔn)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(diǎn)接觸式晶體管。當(dāng)時還有其他人也在做這件事情，即使貝爾實(shí)驗(yàn)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(dú)立地發(fā)明了點(diǎn)接觸式晶體管。

晶體管發(fā)明以后

從20 世紀(jì)50 年代起，晶體管開始逐漸替代真空電子管，并最終實(shí)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(shè)備并不受歡迎，因?yàn)樗F了。但是美國軍方很感興趣，因?yàn)檐娪迷O(shè)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(shè)備都盡可能地是用晶體管。以晶體管為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也因此而突飛猛進(jìn)。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(yīng)晶體管(JFET)。1952 年，基于晶體管的助聽器和收音機(jī)就投入市場了。1954 年，貝爾實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dǎo)線把單個半導(dǎo)體元件連在一起的，已經(jīng)初步展示了半導(dǎo)體器件的威力。以電子計算機(jī)為例，第一臺通用電子計算機(jī)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(jìn)行5000 次加減法(20 位的十進(jìn)制數(shù))。1954 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了第一臺晶體管化的計算機(jī)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(jī)。

圖3 第一臺通用電子計算機(jī)ENIAC

單個半導(dǎo)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(dǎo)體材料上，肯定會更有用的。在20 世紀(jì)50 年代，很多人都有了這個念頭，但是第一個實(shí)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(dǎo)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?yàn)榘l(fā)明了集成電路而榮獲諾貝爾物理學(xué)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(jìn)展就更加迅猛了。簡單舉幾個例子吧。1959 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的卡恩(D. Kahng)和艾塔拉(M. Atalla)發(fā)明了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，這是1925 年李林菲爾德(J. Lilienfeld)提出的場效應(yīng)晶體管概念的具體實(shí)現(xiàn)；1967 年，卡恩和施敏(S. M. Sze)制作了浮柵型MOSFET，為半導(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)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(jìn)步的速度。為了協(xié)調(diào)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從90 年代起，國際半導(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)。從1998 年開始，半導(dǎo)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(qiáng)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(yīng)用跟隨(應(yīng)用跟著芯片走)，今后則是芯片為應(yīng)用服務(wù)。

圖5 摩爾定律（1900~2020）

自摩爾定律誕生以來，半導(dǎo)體科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日新月異、突飛猛進(jìn)。1969 年，貝爾實(shí)驗(yàn)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(jī)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(dǎo)致了袖珍計算器的普及，進(jìn)而導(dǎo)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(jī)，運(yùn)算速度達(dá)到了驚人的2.5 億次。此后，蘋果個人電腦、IBM兼容機(jī)、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(jī)世界排行榜的第一名，每秒可以實(shí)現(xiàn)9.3 億億次的浮點(diǎn)運(yùn)算。這些進(jìn)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(xué)獎授予給半導(dǎo)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?wù)劙雽?dǎo)體科技在中國的發(fā)展過程。

中國的半導(dǎo)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(dǎo)體科技專家相繼回國，開始了中國半導(dǎo)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(xué)家們?yōu)槲覈雽?dǎo)體事業(yè)的人才培養(yǎng)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

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

1956~1958 年，我國創(chuàng)辦了第一個五校聯(lián)合半導(dǎo)體專業(yè)，開始自主培養(yǎng)半導(dǎo)體科技人才。1962 年舉行了全國第二次半導(dǎo)體學(xué)術(shù)會議。自1979 年起，全國半導(dǎo)體物理學(xué)術(shù)會議每兩年召開一次，第21 屆會議2017 年在南京大學(xué)召開。這些會議以及國內(nèi)其他的半導(dǎo)體科技學(xué)術(shù)會議，促進(jìn)了國內(nèi)半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的學(xué)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(dǎo)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(biāo)志著我國已經(jīng)能夠制作小規(guī)模集成電路。

從20 世紀(jì)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(xué)院計算所研制成功1000 萬次大型電子計算機(jī)。改革開放以后，更是加速引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)。在每一個五年計劃期間，都制定了半導(dǎo)體科技特別是集成電路技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略并進(jìn)行科技攻關(guān)。

2000 年，國務(wù)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(shè)計產(chǎn)業(yè)化基地和包括中芯國際在內(nèi)的很多半導(dǎo)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(dǎo)體集成電路芯片進(jìn)口迅速增加，現(xiàn)在每年的進(jìn)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(biāo)志著政府對以集成電路為代表的半導(dǎo)體科學(xué)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(dǎo)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(dǎo)體科學(xué)技術(shù)，建立了半導(dǎo)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(jì)建設(shè)和國防事業(yè)服務(wù)。但是，由于國民經(jīng)濟(jì)水平的限制，國家對半導(dǎo)體研究的投資畢竟不能跟西方發(fā)達(dá)國家相比(相當(dāng)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(dá)國家“挖走了”，留在國內(nèi)的也大多選擇經(jīng)濟(jì)收入更好的行業(yè)；隨著老一代科研人員的退休，許多學(xué)校的半導(dǎo)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(wù)的一些研究所以外，科學(xué)院和大學(xué)里的研究開始從以前的團(tuán)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(shí)亡了；產(chǎn)業(yè)界的研究更關(guān)注短期成效，對半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體科技發(fā)展的七十年歷史，我們不難看到，基礎(chǔ)科學(xué)研究對國民經(jīng)濟(jì)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(jìn)一步推動了基礎(chǔ)科學(xué)研究的進(jìn)步，2014年獲得諾貝爾物理學(xué)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(xiàn)。

對于半導(dǎo)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(yuǎn)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(jì)已經(jīng)有了巨大的進(jìn)步，完全有能力而且也有必要投入半導(dǎo)體研究：重新規(guī)劃大學(xué)院系的教學(xué)模式、重新設(shè)計項(xiàng)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(xùn)”，二十年后，無論是科研還是生產(chǎn)，中國應(yīng)該有著最強(qiáng)大的半導(dǎo)體事業(yè)。