01

寫在前面的

自從人類發現了電，社會圖景發生了天翻地覆的巨變。這種看不見的流動著的事物激活了生活，擴大了視野和行動半徑，增加了幸福，更帶來了電子信息時代的繁榮景象。電簡直就是古代社會和現代社會的分化劑。

現代就是電氣時代。設想一個有趣的問題，沒電了，你的生活還剩下什么？

電氣時代的發展有一個離不開的核心部件：半導體。

聽著很熟悉吧，半導體在中國人的記憶中幾乎等于收音機。為什么過去把收音機叫半導體呢？很簡單，收音機里的主要部件就是半導體（其前身在20世紀五六十年代前是笨重的晶體管），其它的都是輔助材料。

那半導體在收音機里干什么呢？做放大器和振幅檢測器：放大器用來把微弱信號按比例放大（天線接受的信號是很弱的，聽不清）；檢幅器用來從調幅波中恢復出其中攜帶的語音（低頻信號），舍掉高速的載波，是個篩選器（去雜音）。

02

半導體的工作原理

為何半導體能放大和篩選電流信號呢？這就涉及到半導體的工作原理。

首先，半導體材料主要是硅和鍺，中學生都知道。硅和鍺所以能被有效利用，是因為它們的原子的最外層電子層有4個價電子，這使得它們能夠同時獲得或失去相同的電子，既活躍又穩定。

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

把N型半導體和P型半導體結合起來就形成了二極管，它是單向導電的，當P端接正極電源時，N端的電子流向P端，形成電流回路；當N端接正極時，電子受力方向與P端相反，沒辦法流向P端，這就絕緣了。如下圖：

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

單獨鏈接左右兩個N端（一邊作發射區，一邊做集電區），由于中間是P端（做基區），怎么都形不成電流。這時候，如果吧左邊的N端和P端接通，給一個小電流，N端發射區的電子涌入中間很薄的電子穴有限的P端基區，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，這時候，左右兩個N端打通了，而且電流更大，這就等于一個放大器。當然，也可以做開關器。流動示意圖如下：

以上最簡單的二極管和三極管構成了半導體發展的基石。從這種小構件，可以控制電源的開關，放大信號。隨著其自身的不斷發展和變化，最終形成了廣泛的材料覆蓋。當今幾乎所有的電子技術都涉及半導體的使用，其中最重要的是集成電路，它廣泛應用于臺式機、筆記本電腦、掃描儀、手機和其他電子設備，尤其是現代武器。

半導體的發展經歷了雖然不算漫長但也曲折復雜的歷史，大致歸攏一下這激動人心的歷史。

03

早期：發現半導體

1821年，托馬斯·約翰·塞貝克(Thomas Johann Seebeck)第一個注意到半導體具有特殊特性，他在進行了一項有關塞貝克效應的實驗，結果顯示半導體的應用效果十分顯著。

1833年，科學家法拉第發現硫化銀有點「奇怪」，不像金屬那樣導電特別好，也不像木頭那樣完全不導電，而是介于兩者之間。這些材料的導電能力會隨著溫度、光照等條件變化。

1839年，亞歷山大·愛德蒙·貝克勒爾(Alexandre Edmond Becquerel)報告稱，在光照下，固體和液體電解質之間會產生電壓，即光伏效應。

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

1874年，卡爾·費迪南德·布勞恩(Karl Ferdinand Braun)觀察到金屬硫化物的傳導和整流。布勞恩的研究是最早對半導體器件進行系統性研究的成果。這實際上是最早的「二極管」現象），為后續器件發展提供了基礎。

同樣在1874年，亞瑟·舒斯特（Arthur Schuster）發現電線上的氧化銅層具有整流特性，這種特性在電線清潔后會消失。

04

理論發展期

1878年，埃德溫·赫伯特·霍爾證明了流動電荷載體在施加磁場作用下發生偏轉，即霍爾效應。

1897年，湯姆森發現了電子，引發了基于電子的固體傳導理論的產生。卡爾·貝德克爾通過觀察與金屬中符號相反的霍爾效應，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「可變導體」，與此同時他的學生Josef Weiss在其博士論文中已經引入了Halbleiter（現代意義上的半導體）一詞。

1928年，費利克斯·布洛赫于發表了電子在原子晶格中運動的理論。

1930年，B.古登指出，半導體的導電性是由微小的雜質濃度引起的。這很重要。

1931年，艾倫·赫里斯·威爾遜（Alan Herries Wilson）建立了傳導的能帶理論，并提出了帶隙的概念。沃爾特·H·肖特基和內維爾·弗朗西斯·莫特（Nevill Francis Mott）開發了勢壘模型和金屬半導體結的特性模型。

1938年，鮑里斯·達維多夫（Boris Davydov）發展了氧化銅整流器理論，確定了P-N結的效應以及少數載流子和表面態的重要性。半導體基本出現了。

05

二極管與晶體管時代

1922年，奧列格·洛謝夫研制出用于無線電的雙端負阻放大器。

1926年，尤利烏斯·埃德加·利利菲爾德申請了一種類似場效應晶體管的裝置的專利，但并不實用。

1938年，德國的R.希爾施和RW波爾展示了一種固態放大器，采用類似真空管控制柵極的結構。雖然該裝置顯示出功率增益，但截止頻率為每秒一個周期，對于任何實際應用來說都太低，但卻是當時理論的有效應用。

1938年，威廉·肖克利和A·霍爾頓在貝爾實驗室開始研究固態放大器。

1941年，拉塞爾·奧爾觀察到了第一個硅P-N結構，當時他發現一個樣本對光敏感，其一端是P型雜質，另一端是N型雜質，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產生電壓。這是關鍵的一年。

1947年，第一個能工作的晶體管——點接觸晶體管，由約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉·肖克利于在貝爾實驗室發明。

二戰期間，赫伯特·馬塔雷在法國觀察到了鍺基片上相鄰點接觸之間的放大效應。

第二次世界大戰戰后，貝爾實驗室宣布發明「晶體管」后不久，馬塔雷的團隊就宣布了他們的「Transistron」放大器。

1954年，物理化學家莫里斯·塔南鮑姆在貝爾實驗室制造出了第一個硅結型晶體管。晶體管的出現，徹底改變了電子產品的面貌，也為后來的信息時代打下了堅實基礎。

06

集成電路的出現與發展

晶體管雖然好，但如果一個電子設備需要成千上萬個晶體管，那組裝起來還是太麻煩了。

1958年，美國的德州儀器公司的基爾比發明了集成電路。他把多個晶體管、電阻、電容等元器件，一次性制作在一小塊半導體材料上，通過內部連接，形成了一個完整的電路單元。這就像把很多小零件打包成一個大件，大大簡化了電子產品的制造工藝，也讓電子設備變得更小、更強大。從此，半導體進入了「集成化」的小而精時代，開啟了現代微電子技術的新階段。

集成電路問世后，英特爾創始人之一戈登·摩爾提出了著名的摩爾定律。他認為集成電路上可容納的元器件數量大約每18-24個月就會翻一番，性能也會隨之提升，成本卻會下降。這個定律就像一個魔咒，推動著半導體技術一路狂飆。芯片變得越來越小、越來越快、越來越便宜。

1971年，英特爾（Intel）推出全球第一塊微處理器4004，實際上是將CPU功能集于一塊芯片上。隨著芯片的發展，也影響了電腦和互聯網時代的到來，以及智能手機的普及，等等。

20世紀80年代至今，超大規模集成技術不斷發展，現代芯片已經發展到可以集成數千萬甚至數千億晶體管。CMOS技術成為主體工藝，與雙極技術（BJT）徹底分離。CPU由80486發展到Pentium、Core系列，GPU由渲染輔助轉為高度并行的數據處理器。

再退三十年，你是無法設想如今人們手中小小手機的強大功能的，那簡直是天方夜譚。可它就是現實。

07

未來世界

現在，半導體技術還在不斷發展，我們正在追求更小的制程（比如幾納米的芯片）、更強大的計算能力（比如AI芯片），以及更廣泛的應用領域。這也成為中國與西方在意識形態對壘的情形下，進行科技博弈的關鍵所在。

簡單概括一下，半導體的歷史就是從最初發現材料的特殊性，到發明晶體管，再到集成電路，然后不斷追求集成度更高、性能更強的芯片，從而徹底改變了人類生活，開啟了信息時代的一部科技史。

但是，我發現一個悲哀的事實，在整個半導體的發展歷程中，沒有中國人的影子。對此，我們是否應該做一些反省，以便知恥而后勇？