半导体的出现使万生巨变

王齐

在地壳中，含量最多的元素是氧与硅。人类离不开氧也离不开硅。约330万年前，古人使用硅的原始形态石块制作工具，那段时期被称为石器时代；大约6000年以前，人类逐渐抛弃了石块，进入了青铜与铁器时代。

在渐别石器时代长达万年的时光中，人类与半导体相关的历史不到两百年。在第一个百年之中，留下记载的只是几个跳动着的与半导体有少许关联的事迹。

【资料图】

19世纪，人类观测到了半导体的热敏特性、光伏效应、光电导效应与整流这四大特性，但这些发现没有引发足够的关注。随后几十年，半导体生活在证明与证伪的争辩之中，许多科学家认为半导体不过是在绝缘体中掺杂了一些导体杂质罢了。

20世纪的前半叶是一个科技爆发的时代，量子力学与相对论在这段时间先后出现，人类加速了向微观世界及宏观宇宙的探索步伐。与相对论相比，也许量子力学更为复杂，提出相对论的爱因斯坦，曾经说过他思考量子力学的时间百倍于相对论。

量子力学是微观世界的通行法则，起源于对黑体辐射现象的解释，在科学家不断质疑原子组成结构与电子运行轨迹的过程中抵达高潮。能带理论在此期间逐步成型，使世界上的物质被划分为导体、绝缘体与半导体。借助能带理论，科学家合理解释了半导体材料的四大特性，此后不再有人继续质疑半导体材料的存在。

半导体是一种介于导体与绝缘体之间的材料，是电子信息产业的基石。半导体材料的第一个应用是无线通信领域中使用的二极管。在二战期间，半导体材料的提纯工艺日趋成熟。战后不久，晶体管问世，硅结束了长达万年的等待，作为半导体材料而不是石块被人类重新发现。

晶体管的问世是人类科技史册中的一个重大里程碑，此后半导体材料具有了更加广阔的发展空间。潘多拉魔盒被再次打开，这一次人类收获了希望。在晶体管诞生后不足百年的时光里，人类取得的科技成就几乎超越了之前几百万年的总和。

半导体的出现使万生巨变。此后的地球，比过去“小”许多；此后的时间，比过去“快”许多；此后的人类，比过去谦卑许多。

半导体产业的理论基石是量子力学。量子力学不仅是一门知识，也是一种哲学思考。对量子力学多一些了解，会多一种看待这个世界的方式。正是因为这个原因，书中将尝试勾勒出量子力学的轮廓。

量子力学之外，半导体还与多门交叉学科相关，共同组成了复杂的半导体产业链。在这个链条中，上游是半导体设备、材料与工具软件；下游是半导体的应用，包括计算、存储、通信与其他领域；半导体制造在之间承上启下。

本书在介绍半导体全产业链的过程中逐步展开，由三条主线构成，分别为基础线、应用线与制造线。

基础线集中出现在第1章“半导体的起源”与第5章“生命之光”中，并贯穿全书，覆盖了量子力学、凝聚态物理与光学的一些常识。这两章的部分内容，枯燥无味并不易读，简短的篇幅也很难将这些内容完全覆盖。笔者书写这段文字时亦感枯燥无味，也不止一次想删除掉这些内容，却最终将其完整保留，因为这些枯燥与无味正是半导体产业的立基之石。

应用线的主体由第2章“晶体管来了”与第3章“计算世界”构成。

“晶体管来了”这章介绍半导体的起源，以及晶体管、集成电路诞生的那段波澜壮阔。半导体产业从通信领域开始，并逐步过渡到存储领域，最终在计算领域蓬勃兴起，在整合存储与通信领域的过程中，建立了电子信息产业的基石。

“计算世界”这章介绍电子信息时代始于计算，精彩之处亦在于计算。电子信息产业的三次浪潮，大型机、PC与智能手机时代与计算领域密切相关。对通信、存储与计算领域的描述组成了本书的应用线。

制造线的部分内容出现在“晶体管来了”这章与“生命之光”这章，主体集中在第4章“制造为王”，围绕半导体的制造，特别是集成电路的制造展开。

“生命之光”这章即最后一章介绍“光”。半导体材料与“光”直接相关的产业，包括光伏与显示领域。半导体制作离不开“光”，光刻机是最重要的半导体设备。该章在最后简述了中国半导体产业的过去、现在与未来，这段历程由希望谱写，是中国半导体人生命中的光。

在三条主线中，基础线相对晦涩，主要为18到25岁的年轻人准备，是理解半导体材料科学的关键。多数读者可以将这些内容略去，并不会影响阅读的连续性。

笔者希望更多的年长一代，愿意对这些内容多一些了解。这一代人中的绝大多数可能很难在基础科学上做出更大的突破，但是可以为年轻一代提供创新的土壤，与支撑创新所必须要有的宽容。

三大主线涉及了大量与半导体产业相关的历史。回顾这段历史不仅代表要了解过去，也是在近距离观察着今天与未来。一切历史都是当代史，相同的历史在不同的年代，有着不同的解读。历史是一面镜子，在镜中我们寻找未来。

关键词： 量子力学 半导体材料 电子信息