晶體管誕生70年 解讀中國集成電路發展現狀

「時間：1947年12月16日

日記號：38139-7」

70年前，當物理學家沃爾特·布拉頓像往常一樣寫下他的實驗日記，他不曾預料，一個時代即將開啟。

這場實驗的主角是一個比火柴棍短且粗的半導體放大器，後來，它被命名為點接觸式晶體管。

點接觸式晶體管成了人類打開晶體管大門的第一把鑰匙。大門推開後，一場信息技術革命席捲全球。

70年後，晶體管已經變得幾乎無處不在。人類以其為磚瓦，搭建出一個個虛擬世界。我們至今仍未找到晶體管的替代品，以其為基礎的集成電路，還將被人類長期依賴。

晶體管的問世，人類微電子革命的先聲

晶體管誕生之前，人們已經有了電子管，或者叫真空管。

電子管具有信號放大作用，但是毛病一籮筐——壽命低、體積大、可靠性差。

所以，人們希望找到一種器件替代電子管。美國電話電報公司(AT&T)下屬的貝爾實驗室成了尋找路上的開路先鋒。

貝爾實驗室創建於1925年。成立伊始，它就是世界上規模最大的工業實驗室。3600名工作人員中，有2000名是技術人員。

1945年7月，二戰臨近結束，為了適應戰後研究方向的調整，貝爾實驗室進行了各個研究部門的改組。

這次改組中，物理部門成立了3個研究小組，其中之一就是固體物理研究組。該組又分為半導體和冶金兩個小組，麻省理工大學博士肖克萊兼任半導體小組組長。他將小組的研究計劃，定為研製「半導體放大器」。

半導體是指常溫下導電性能介於導體和絕緣體之間的材料，像硅和鍺，就是常見的半導體材料。

清華大學微電子所所長魏少軍說，要理解晶體管的工作原理，可以想像一個大壩的水閘。

當大壩閘門合上，無水流出，水力發電機就無法發電;當閘門打開，水流湧出，水力發電機就可以輸出電流。「閘門的開合直接影響到了水力發電機的運轉，這就是用一個弱信號，去控制了一個強信號。」而晶體管的基本原理，就是「放大」，用小電流去控制大電流。

貝爾實驗室對晶體管的構思由來已久。晶體管的誕生，是長期積累的結果。從諾貝爾獎的歸屬來看，榮譽最終給了3個人——肖克萊、布拉頓和巴丁。

1947年12月16日，擺在布拉頓和巴丁面前的，是一個多次改進後的、構築在鍺晶體之上的器件。鍺晶體表面，用一根彈簧壓著一個兩邊包裹著金箔的三角形塑料楔子。這兩邊的金箔，就是信號的輸入端和輸出端。

就是它，在那天的實驗中，成功放大了30%的輸出功率和15倍的輸出電壓。

用現代標準來衡量，這點觸式晶體管的原型實在太過質樸笨拙，但無可否認，它就是人類微電子革命的先聲。

在它之後，又有雙極型、單極型晶體管和硅晶體管相繼問世。

「從移動計算到智能計算，當今時代的種種變化，都離不開電子信息系統。而晶體管，是其中最為基礎的器件。」魏少軍說，晶體管之於信息革命，如同鐵器之於農業革命，如同蒸汽機之於工業革命，「它的重要性怎麼強調都不為過。」

起步不晚的中國，還是落後了

晶體管應該被拿來做更多的事情，不過前提是，它要足夠小。

如何找到一種高效的晶體管、導線和其他器件的連接方法?1958年左右，美國兩位30歲出頭的年輕人，各自拿出了自己的解決方案——就是我們今天已經熟知的集成電路。

如果說，晶體管的誕生，是蝴蝶扇動了翅膀，那麼，遠隔大洋的中國，也敏銳地嗅到了風暴來襲的信號。

中國的起步並不晚。上世紀50年代中期，正值我國開始實施第一個五年計劃。半導體這門新興科學技術受到了黨和政府的高度重視。1956年，在沒有技術資料和完整設備的條件下，我國成功研製出了首批半導體器件——鍺合金晶體管。1965年，我國又擁有了集成電路。

「說起我國第一代半導體人，那真是非常了不起。」中科院微電子研究所所長葉甜春感慨，「他們帶著知識歸國，自己研製設備，自己製備材料，自己培養了第一批學生，完全白手起家。」

頭20年，我國集成電路和國際上的差距並不大;但在第二個20年，道路開始曲折。

差的不在技術，而是產業。一個還沒有完成工業化的國家，剛剛從計劃經濟時代走出，還不知道如何組織大規模商品生產。此時，還想更進一步，發展高新技術產業，更是難上加難。

產業發展不起來，技術研發也步履維艱，陷入惡性循環。葉甜春記得，1986年自己剛入集成電路這一行時，整個行業都處在痛苦的轉型期。大家還在學習高質量低成本地批量製造產品，在混沌中摸索。

上世紀八九十年代，國際集成電路產業開始起飛。「這是國家發展階段的差異，也沒什麼好埋怨的。」葉甜春坦言。

真正的轉折點，發生在2008年。

那一年，國家科技重大專項啟動。「核心電子器件、高端通用晶元及基礎軟體產品」「極大規模集成電路製造裝備及成套工藝」等專項都指向了集成電路。5年後，技術儲備到了一定程度，加大產業投入，也就被提上議事日程。

2014年，國務院發布《國家集成電路產業發展推進綱要》，設立國家產業投資基金。「效果一下子就顯現出來了。為什麼能這麼快?因為技術體系已經建立起來了，能支撐產業體系的快速發展了。」葉甜春總結，「這是一套組合拳，堪稱完美。」

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