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    《半導體簡史》:半導體的出現使萬生巨變

    《半導體簡史》 王齊 范淑琴 編著 機械工業出版社

    在地殼中,含量最多的元素是氧與硅。人類離不開氧也離不開硅。約330萬年前,古人使用硅的原始形態石塊制作工具,那段時期被稱為石器時代;大約6000年以前,人類逐漸拋棄了石塊,進入了青銅與鐵器時代。

    在漸別石器時代長達萬年的時光中,人類與半導體相關的歷史不到兩百年。在第一個百年之中,留下記載的只是幾個跳動著的與半導體有少許關聯的事跡。

    19世紀,人類觀測到了半導體的熱敏特性、光伏效應、光電導效應與整流這四大特性,但這些發現沒有引發足夠的關注。隨后幾十年,半導體生活在證明與證偽的爭辯之中,許多科學家認為半導體不過是在絕緣體中摻雜了一些導體雜質罷了。

    20世紀的前半葉是一個科技爆發的時代,量子力學與相對論在這段時間先后出現,人類加速了向微觀世界及宏觀宇宙的探索步伐。與相對論相比,也許量子力學更為復雜,提出相對論的愛因斯坦,曾經說過他思考量子力學的時間百倍于相對論。

    量子力學是微觀世界的通行法則,起源于對黑體輻射現象的解釋,在科學家不斷質疑原子組成結構與電子運行軌跡的過程中抵達高潮。能帶理論在此期間逐步成型,使世界上的物質被劃分為導體、絕緣體與半導體。借助能帶理論,科學家合理解釋了半導體材料的四大特性,此后不再有人繼續質疑半導體材料的存在。

    半導體是一種介于導體與絕緣體之間的材料,是電子信息產業的基石。半導體材料的第一個應用是無線通信領域中使用的二極管。在二戰期間,半導體材料的提純工藝日趨成熟。戰后不久,晶體管問世,硅結束了長達萬年的等待,作為半導體材料而不是石塊被人類重新發現。

    晶體管的問世是人類科技史冊中的一個重大里程碑,此后半導體材料具有了更加廣闊的發展空間。潘多拉魔盒被再次打開,這一次人類收獲了希望。在晶體管誕生后不足百年的時光里,人類取得的科技成就幾乎超越了之前幾百萬年的總和。

    半導體的出現使萬生巨變。此后的地球,比過去“小”許多;此后的時間,比過去“快”許多;此后的人類,比過去謙卑許多。

    半導體產業的理論基石是量子力學。量子力學不僅是一門知識,也是一種哲學思考。對量子力學多一些了解,會多一種看待這個世界的方式。正是因為這個原因,書中將嘗試勾勒出量子力學的輪廓。

    量子力學之外,半導體還與多門交叉學科相關,共同組成了復雜的半導體產業鏈。在這個鏈條中,上游是半導體設備、材料與工具軟件;下游是半導體的應用,包括計算、存儲、通信與其他領域;半導體制造在之間承上啟下。

    本書在介紹半導體全產業鏈的過程中逐步展開,由三條主線構成,分別為基礎線、應用線與制造線。

    基礎線集中出現在第1章“半導體的起源”與第5章“生命之光”中,并貫穿全書,覆蓋了量子力學、凝聚態物理與光學的一些常識。這兩章的部分內容,枯燥無味并不易讀,簡短的篇幅也很難將這些內容完全覆蓋。筆者書寫這段文字時亦感枯燥無味,也不止一次想刪除掉這些內容,卻最終將其完整保留,因為這些枯燥與無味正是半導體產業的立基之石。

    應用線的主體由第2章“晶體管來了”與第3章“計算世界”構成。

    “晶體管來了”這章介紹半導體的起源,以及晶體管、集成電路誕生的那段波瀾壯闊。半導體產業從通信領域開始,并逐步過渡到存儲領域,最終在計算領域蓬勃興起,在整合存儲與通信領域的過程中,建立了電子信息產業的基石。

    “計算世界”這章介紹電子信息時代始于計算,精彩之處亦在于計算。電子信息產業的三次浪潮,大型機、PC與智能手機時代與計算領域密切相關。對通信、存儲與計算領域的描述組成了本書的應用線。

    制造線的部分內容出現在“晶體管來了”這章與“生命之光”這章,主體集中在第4章“制造為王”,圍繞半導體的制造,特別是集成電路的制造展開。

    “生命之光”這章即最后一章介紹“光”。半導體材料與“光”直接相關的產業,包括光伏與顯示領域。半導體制作離不開“光”,光刻機是最重要的半導體設備。該章在最后簡述了中國半導體產業的過去、現在與未來,這段歷程由希望譜寫,是中國半導體人生命中的光。

    在三條主線中,基礎線相對晦澀,主要為18到25歲的年輕人準備,是理解半導體材料科學的關鍵。多數讀者可以將這些內容略去,并不會影響閱讀的連續性。

    筆者希望更多的年長一代,愿意對這些內容多一些了解。這一代人中的絕大多數可能很難在基礎科學上做出更大的突破,但是可以為年輕一代提供創新的土壤,與支撐創新所必須要有的寬容。

    三大主線涉及了大量與半導體產業相關的歷史?;仡欉@段歷史不僅代表要了解過去,也是在近距離觀察著今天與未來。一切歷史都是當代史,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。

    (原標題:半導體的出現使萬生巨變)

    作者:王齊

    [責任編輯:王爽]
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