1947年12月23日，美国贝尔实验室正式地成功演示了第一个基于锗半导体的具有放大功能的点接触式晶体管，标志着现代半导体产业的诞生和信息时代的开启。晶体管可以说是20 世纪最重要的发明，到今天已经整整70 年了。
晶体管的诞生
在晶体管诞生之前，电信号的放大主要是通过电子管(真空三极管)。这种器件是1907 年由德福雷斯特(L. Forest )发明的，其实质是在1904 年弗莱明(J. Fleming)发明的真空二极管的阴极和阳极之间添加了另一个电极(所以称为“三极管”)，从而实现了电流的放大功能，后来又因为“反馈”概念的引入而进一步改善了器件性能。真空三极管制作起来很困难、寿命很短，而且体积大、耗能高、易损坏，严重限制了其应用范围，人们一直希望能够用固态器件来替换它。一个简单的想法(但是在当时很难实现)就是，往半导体整流器(二极管)里放置一个栅极。1938 年，德国的希尔什(R. Hilsch)和珀尔(R.Pohl)把三个电极插入溴化钾晶体里，成功地演示了第一个基于色心的晶体管模型，可惜其工作频率只有1 Hz 甚至更差。此后，其他人也做过一些尝试，但是都没有成功。
1945年，贝尔实验室计划针对几种新材料(包括硅和锗)进行有目标的基础研究(类似于我们现在说的“ 应用基础研究”)，以了解其潜在的应用前景。为此成立了“半导体小组”，肖克利(W. Shockley)是组长，成员包括巴丁(J. Bardeen)和布拉顿(W.Brattain)。肖克利和巴丁都是理论物理学家，而布拉顿则是实验物理学家。
起初的工作是基于肖克利偏爱的金属-半导体结构，在多次尝试失败之后，巴丁认识到半导体的表面缺陷有着非常不利的影响，必须找到“钝化”表面(消除缺陷)的方法。从1947年11月起的短短几个月时间里，他们取得了重大的进展，终于实现了第一个半导体晶体管。
实际上，这个时期发明了两种全然不同的晶体管：巴丁和布拉顿在1947年12月发明了点接触式晶体管，把间距为50μm的两个金电极压在锗半导体上，微小的电信号由一个金电极“( 发射极”)进入锗半导体“( 基极”)、被显著放大，并通过另一个金电极“( 集电极”)输出，这个器件在1kHz的增益为4.5；一个月后，肖克利发明了三明治结构的双极性结式晶体管，最外面的两层是N 型半导体，中间则是P 型半导体，但是直到1950 年，蒂尔(G. Teal)和斯帕克斯(M. Sparks) 才制作出锗基NPN 结式晶体管。
从实用的角度来看，点接触式晶体管的产量非常有限，不能算是商业上的成功；结式晶体管却使得现代半导体工艺成为可能，为许多半导体公司的兴起做出了重大贡献。1956年，巴丁、布拉顿和肖克利因为晶体管的发明而获得了诺贝尔物理学奖。
国际半导体科技的发展
从20世纪50 年代起，晶体管开始逐渐替代真空电子管，并最终实现了集成电路和微处理器的大批量生产。
起初，晶体管和晶体管化的设备并不受欢迎，因为它太贵了。但是美国军方很感兴趣，因为军用设备对便携性、可靠性和耐用性有着特殊的要求。在50年代的大部分时间里，正是美国军方的支持才让年轻的晶体管产业生存下来。1957 年，苏联卫星“斯普尼克”上天，正式掀起了美苏太空竞赛的序幕。1961年，美国肯尼迪总统宣布“在1970 年以前把人送到月球上”。与苏联相比，美国的火箭技术略微落后一些，所以减轻重量就更有必要了，所有的电子设备都尽可能地使用晶体管。以晶体管为基础的半导体产业也因此而突飞猛进。集成电路成为了这个时期的主角。
在晶体管诞生以后的十年里，出现了很多新型的晶体管。1950年，日本的西泽润一(J. Nishizawa)和渡边宁(Y. Watanabe)发明了结式场效应晶体管(JFET)。1952 年，基于晶体管的助听器和收音机就投入市场了。1954 年，贝尔实验室的坦恩鲍姆(M.Tanenbaum)制备了第一个硅晶体管；同一年，跳槽到德州仪器公司的蒂尔实现了商业化的硅晶体管。1956 年，通用电气公司发明了晶闸管。在这个时期，晶体管化的电子线路是通过导线把单个半导体元件连在一起的，已经初步展示了半导体器件的威力。以电子计算机为例，第一台通用电子计算机ENIAC 是在1946 年投入使用，1956 年退役，它使用了大约2 万根真空三极管，占用了一间大房子(167 平方米)，耗电150kW，计算能力仅为每秒钟进行5000 次加减法(20 位的十进制数)。1954 年，贝尔实验室开发了第一台晶体管化的计算机TRADIC，使用了大约700 个晶体管和1 万个锗二极管，每秒钟可以执行1 百万次逻辑操作，功率仅为100瓦。1955 年，IBM公司开发了包含2000 个晶体管的商用计算机。
单个半导体元件虽然很有用，但是，如果能够把几个晶体管结合在同一块半导体材料上，肯定会更有用的。在20世纪50 年代，很多人都有了这个念头，但是第一个实现了这个想法的是德州仪器公司的基尔比(J. Kilby)。1958 年9 月12 日，他制作了第一个锗片上的集成电路，其中的晶体管和被动元件是用金丝连接起来的。1959 年，仙童公司的诺伊斯(R. Noyce ，他后来创立了英特尔公司)提交了平面工艺的专利，用铝作为导电条制备集成电路。从此，集成电路的时代开始了。2000年，基尔比因为发明了集成电路而荣获诺贝尔物理学奖。
接下来的十年，晶体管的进展就更加迅猛了。简单举几个例子吧。1959年，贝尔实验室的卡恩(D. Kahng)和艾塔拉(M. Atalla)发明了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，这是1925年李林菲尔德(J. Lilienfeld)提出的场效应晶体管概念的具体实现；1967 年，卡恩和施敏(S. M. Sze)制作了浮栅型MOSFET，为半导体存储技术奠定了基础。1965年还发生了一件大事，仙童公司的摩尔(G. Moore ，他也是英特尔的创始人之一) 提出了摩尔定律(Moore’s law)：集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18~24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍(摩尔定律起初说是每年翻一番，十年后改为两年翻一番)。这个定律本来是描述此前半导体产业发展的经验公式，结果竟然奇迹般地揭示了此后五十多年信息技术进步的速度。为了协调半导体产业的发展，从90 年代起，国际半导体产业界开始筹划研究路线图，包括美欧日韩及中国台湾等半导体产业发达的国家和地区。从1998 年开始，半导体技术国际路线图(International Technology Roadmap for Semiconductors)每两年发布一次。然而，2016 年发布的新的路线图，首次不再强调摩尔定律，而是超越摩尔的战略(More than Moore strategy)：以前是芯片先行、应用跟随(应用跟着芯片走)，今后则是芯片为应用服务。
自摩尔定律（集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番）诞生以来，半导体科技和产业的发展日新月异、突飞猛进。1969年，贝尔实验室的博伊尔(W. Boyle)和史密斯(G. Smith)发明了电荷耦合器件(CCD)，并最终引发了照相技术的大革命，使用了一百多年的照片被淘汰了，每个人的手机上有摄像头了。1971 年，英特尔公司推出了第一批4 位的商用微处理器Intel 4004(具有2300 个晶体管)，1972年更是推出了8 位的商用微处理器Intel 8008(具有3500 个晶体管)，起初是导致了袖珍计算器的普及，进而导致了个人电脑的出现。1976 年，克雷公司推出了Cray-1 超级计算机，运算速度达到了惊人的2.5 亿次。此后，苹果个人电脑、IBM兼容机、互联网的出现和发展，终于把我们带到了大数据的时代，发生在2016 年的两大代表性事件就是：阿尔法狗(AlphaGo)战胜围棋世界冠军李世石；“神威·太湖之光”夺得超级计算机世界排行榜的第一名，每秒可以实现9.3 亿亿次的浮点运算。
通过晶体管诞生以来国际半导体科技发展的七十年历史，我们不难看到，基础科学研究对国民经济和国防安全有着重大意义，而科技产业的需求反过来又进一步推动了基础科学研究的进步，2014年获得诺贝尔物理学奖的白光LED就是一个很好的例证，而且正在为全球性的节能减排工作做出重大的贡献。
本文刊登于《发现》杂志（企业智库版）2018年6月刊，原文摘自“电子说”网站返回搜狐，查看更多
