《半導(dǎo)體簡(jiǎn)史》 王齊 范淑琴 編著 機(jī)械工業(yè)出版社

在地殼中，含量最多的元素是氧與硅。人類離不開(kāi)氧也離不開(kāi)硅。約330萬(wàn)年前，古人使用硅的原始形態(tài)石塊制作工具，那段時(shí)期被稱為石器時(shí)代；大約6000年以前，人類逐漸拋棄了石塊，進(jìn)入了青銅與鐵器時(shí)代。

在漸別石器時(shí)代長(zhǎng)達(dá)萬(wàn)年的時(shí)光中，人類與半導(dǎo)體相關(guān)的歷史不到兩百年。在第一個(gè)百年之中，留下記載的只是幾個(gè)跳動(dòng)著的與半導(dǎo)體有少許關(guān)聯(lián)的事跡。

19世紀(jì)，人類觀測(cè)到了半導(dǎo)體的熱敏特性、光伏效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)與整流這四大特性，但這些發(fā)現(xiàn)沒(méi)有引發(fā)足夠的關(guān)注。隨后幾十年，半導(dǎo)體生活在證明與證偽的爭(zhēng)辯之中，許多科學(xué)家認(rèn)為半導(dǎo)體不過(guò)是在絕緣體中摻雜了一些導(dǎo)體雜質(zhì)罷了。

20世紀(jì)的前半葉是一個(gè)科技爆發(fā)的時(shí)代，量子力學(xué)與相對(duì)論在這段時(shí)間先后出現(xiàn)，人類加速了向微觀世界及宏觀宇宙的探索步伐。與相對(duì)論相比，也許量子力學(xué)更為復(fù)雜，提出相對(duì)論的愛(ài)因斯坦，曾經(jīng)說(shuō)過(guò)他思考量子力學(xué)的時(shí)間百倍于相對(duì)論。

量子力學(xué)是微觀世界的通行法則，起源于對(duì)黑體輻射現(xiàn)象的解釋，在科學(xué)家不斷質(zhì)疑原子組成結(jié)構(gòu)與電子運(yùn)行軌跡的過(guò)程中抵達(dá)高潮。能帶理論在此期間逐步成型，使世界上的物質(zhì)被劃分為導(dǎo)體、絕緣體與半導(dǎo)體。借助能帶理論，科學(xué)家合理解釋了半導(dǎo)體材料的四大特性，此后不再有人繼續(xù)質(zhì)疑半導(dǎo)體材料的存在。

半導(dǎo)體是一種介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，是電子信息產(chǎn)業(yè)的基石。半導(dǎo)體材料的第一個(gè)應(yīng)用是無(wú)線通信領(lǐng)域中使用的二極管。在二戰(zhàn)期間，半導(dǎo)體材料的提純工藝日趨成熟。戰(zhàn)后不久，晶體管問(wèn)世，硅結(jié)束了長(zhǎng)達(dá)萬(wàn)年的等待，作為半導(dǎo)體材料而不是石塊被人類重新發(fā)現(xiàn)。

晶體管的問(wèn)世是人類科技史冊(cè)中的一個(gè)重大里程碑，此后半導(dǎo)體材料具有了更加廣闊的發(fā)展空間。潘多拉魔盒被再次打開(kāi)，這一次人類收獲了希望。在晶體管誕生后不足百年的時(shí)光里，人類取得的科技成就幾乎超越了之前幾百萬(wàn)年的總和。

半導(dǎo)體的出現(xiàn)使萬(wàn)生巨變。此后的地球，比過(guò)去“小”許多；此后的時(shí)間，比過(guò)去“快”許多；此后的人類，比過(guò)去謙卑許多。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的理論基石是量子力學(xué)。量子力學(xué)不僅是一門知識(shí)，也是一種哲學(xué)思考。對(duì)量子力學(xué)多一些了解，會(huì)多一種看待這個(gè)世界的方式。正是因?yàn)檫@個(gè)原因，書(shū)中將嘗試勾勒出量子力學(xué)的輪廓。

量子力學(xué)之外，半導(dǎo)體還與多門交叉學(xué)科相關(guān)，共同組成了復(fù)雜的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈。在這個(gè)鏈條中，上游是半導(dǎo)體設(shè)備、材料與工具軟件；下游是半導(dǎo)體的應(yīng)用，包括計(jì)算、存儲(chǔ)、通信與其他領(lǐng)域；半導(dǎo)體制造在之間承上啟下。

本書(shū)在介紹半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈的過(guò)程中逐步展開(kāi)，由三條主線構(gòu)成，分別為基礎(chǔ)線、應(yīng)用線與制造線。

基礎(chǔ)線集中出現(xiàn)在第1章“半導(dǎo)體的起源”與第5章“生命之光”中，并貫穿全書(shū)，覆蓋了量子力學(xué)、凝聚態(tài)物理與光學(xué)的一些常識(shí)。這兩章的部分內(nèi)容，枯燥無(wú)味并不易讀，簡(jiǎn)短的篇幅也很難將這些內(nèi)容完全覆蓋。筆者書(shū)寫(xiě)這段文字時(shí)亦感枯燥無(wú)味，也不止一次想刪除掉這些內(nèi)容，卻最終將其完整保留，因?yàn)檫@些枯燥與無(wú)味正是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的立基之石。

應(yīng)用線的主體由第2章“晶體管來(lái)了”與第3章“計(jì)算世界”構(gòu)成。

“晶體管來(lái)了”這章介紹半導(dǎo)體的起源，以及晶體管、集成電路誕生的那段波瀾壯闊。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從通信領(lǐng)域開(kāi)始，并逐步過(guò)渡到存儲(chǔ)領(lǐng)域，最終在計(jì)算領(lǐng)域蓬勃興起，在整合存儲(chǔ)與通信領(lǐng)域的過(guò)程中，建立了電子信息產(chǎn)業(yè)的基石。

“計(jì)算世界”這章介紹電子信息時(shí)代始于計(jì)算，精彩之處亦在于計(jì)算。電子信息產(chǎn)業(yè)的三次浪潮，大型機(jī)、PC與智能手機(jī)時(shí)代與計(jì)算領(lǐng)域密切相關(guān)。對(duì)通信、存儲(chǔ)與計(jì)算領(lǐng)域的描述組成了本書(shū)的應(yīng)用線。

制造線的部分內(nèi)容出現(xiàn)在“晶體管來(lái)了”這章與“生命之光”這章，主體集中在第4章“制造為王”，圍繞半導(dǎo)體的制造，特別是集成電路的制造展開(kāi)。

“生命之光”這章即最后一章介紹“光”。半導(dǎo)體材料與“光”直接相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，包括光伏與顯示領(lǐng)域。半導(dǎo)體制作離不開(kāi)“光”，光刻機(jī)是最重要的半導(dǎo)體設(shè)備。該章在最后簡(jiǎn)述了中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的過(guò)去、現(xiàn)在與未來(lái)，這段歷程由希望譜寫(xiě)，是中國(guó)半導(dǎo)體人生命中的光。

在三條主線中，基礎(chǔ)線相對(duì)晦澀，主要為18到25歲的年輕人準(zhǔn)備，是理解半導(dǎo)體材料科學(xué)的關(guān)鍵。多數(shù)讀者可以將這些內(nèi)容略去，并不會(huì)影響閱讀的連續(xù)性。

筆者希望更多的年長(zhǎng)一代，愿意對(duì)這些內(nèi)容多一些了解。這一代人中的絕大多數(shù)可能很難在基礎(chǔ)科學(xué)上做出更大的突破，但是可以為年輕一代提供創(chuàng)新的土壤，與支撐創(chuàng)新所必須要有的寬容。

三大主線涉及了大量與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)相關(guān)的歷史。回顧這段歷史不僅代表要了解過(guò)去，也是在近距離觀察著今天與未來(lái)。一切歷史都是當(dāng)代史，相同的歷史在不同的年代，有著不同的解讀。歷史是一面鏡子，在鏡中我們尋找未來(lái)。

（原標(biāo)題：半導(dǎo)體的出現(xiàn)使萬(wàn)生巨變）

作者：王齊