严格地说，晶体管泛指统统的单个半导体元件，常常用来指代半导体材料制成的三极管、场效应管，等等。它的英文名字是transistor，来自于trans-resistance(即transfer resistance)，也便是所谓的“跨阻”，指的是输出端电压变革与输入端电流变革的比值(单位是欧姆)，反响了输入对输出的影响能力。晶体三极管进入中国的时候，真空三极管还在广泛利用，晶体三极管的巨大成功使得晶体管不仅特指与英文原名transistor 彷佛关系不大的晶体三极管，更是泛指了所有的单个半导体元件。
晶体管的出身
在晶体管出身之前，电旗子暗记的放大紧张是通过电子管(真空三极管)。这种器件是1907 年由德福雷斯特(L. Forest )发明的，其本色是在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(以是称为“三极管”)，从而实现了电流的放大功能，后来又由于“反馈”观点的引入而进一步改进了器件性能。真空三极牵制作起来很困难、寿命很短，而且体历年夜、耗能高、易破坏，严重限定了其运用范围，人们一贯希望能够用固态器件来更换它。一个大略的想法(但是在当时很难实现)便是，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，可惜其事情频率只有1 Hz 乃至更差。此后，其他人也做过一些考试测验，但是都没有成功。
1945年，贝尔实验室操持针对几种新材料(包括硅和锗)进行有目标的根本研究(类似于我们现在说的“ 运用根本研究”)，以理解其潜在的运用前景。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(图1)。起初的事情是基于肖克利偏爱的金属-半导体构造，在多次考试测验失落败
之后，巴丁认识到半导体的表面毛病有着非常不利的影响，必须找到“钝化”表面(肃清毛病)的方法。从1947年11月起的短短几个月韶光里，他们取得了重大的进展，终于实现了第一个半导体晶体管。
图1 从左到右，巴丁(1908~1991)、肖克利(1910~1989)和布拉顿(1902~1987)。他们的关系并不像照片里显示的这么融洽
实际上，这个期间发明了两种全然不同的晶体管：巴丁和布拉顿在1947 年12 月发明了点打仗式晶体管(图2)，把间距为50μm的两个金电极压在锗半导体上，眇小的电旗子暗记由一个金电极“( 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构造的双极性结式晶体管，最表面的两层是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，点打仗式晶体管的产量非常有限，不能算是商业上的成功；结式晶体管却使得当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、布拉顿和肖克利由于晶体管的发明而得到了诺贝尔物理学奖。晶体管发明的历史实在很繁芜，牵扯到科学和技能、团体和社会之间的奇妙关系，详细的描述可以参阅科学史专著①和科普书本②③。
图2 巴丁和布拉顿发明的点打仗式晶体管
晶体管发明之前的半导体科技
第二次天下大战刚刚结束两年，晶体管就被成功地研制出来了。为什么是这个时候？为什么不能更早些呢？由于半导体科技的发展是材料、物理和器件这三者相互促进、相辅相成的结果：为了制作性能好的器件，须要理解材料的物理特性以及相应的物理过程和规律，而这又须要可靠的仪器来丈量质量足够好的材料。此前的条件还不足成熟。
半导体科学研究始于19世纪初叶，那时候研究的都是自然界里的材料(矿石晶体)：1833年，法拉第(M. Faraday)在研究硫化银的电导时，第一次不雅观察到电阻的负温度系数；1873年，史密斯(W. Smith)在体材料硒中创造光电导效应；1874 年，布劳恩(K.Braun)在一些金属硫化物表面创造了整流效应；1876 年，亚当斯(W. Adams)和戴伊(R. Day)在硒材料里创造了光伏效应；1879 年，霍尔(E. Hall)创造了现在所谓的“霍尔效应”，并在某些材料中创造了带有正电荷的载流子。也便是说，在晶体管发明之前70 年，人们已经创造了半导体材料的几大基本特性：电阻率的负温度系数和光电导效应(都是体材料的效应)，光伏效应和整流效应(某种半导体与其他材料之间的打仗效应)，存在正电荷的载流子(这便是半导体中的“空穴”)。
在这个期间，人们既不理办理议材料特性的基本理论，也不能自己制备高质量的材料，表征技能也很粗糙，只能用试错法来摸索。此后的研究取得了一定的进展，特殊是发明了基于金属-半导体材料打仗的整流器，在无线电通讯中发挥了主要浸染，布劳恩也因此(与马可尼一起)得到了1909 年的诺贝尔物理学奖。
真正的迁移转变涌如今1926 年新量子力学理论出身往后。1931 年，英国的威尔逊(A. Wilson)将量子理论运用到晶体里，提出了能带理论，终于能够阐明金属、半导体和绝缘体在导电性上的差别，能隙决定了半导体的特性。1932 年，他又提出了杂质能级和毛病能级的观点，为理解掺杂半导体的导电机理做出了重大贡献。1939 年，他出版了《半导体与金属》(Semi-conductors and Metals)。1939 年，苏联的达维多夫(A. Davydov)、英国的莫特(N. Mott)和德国的肖特基(W. Schottky )独立提出了势垒理论，阐明金属-半导体打仗的整流效应。1940 年，塞兹(F. Seitz)出版了《当代固体理论》(The Modern Theory of Solids)。至此，晶体管的根本理论事情就完好了。
与此同时，半导体材料的成长技能也有了长足的进步。在20 世纪40 年代，垂直冷却法被用于硅和锗，并首次不雅观察到了p-n 结。拉晶法和逐区精髓精辟法也是在那个期间提出的，并且从锗熔液和硅熔液里拉出了单晶。贝尔实验室的欧尔(R. Ohl)和蒂尔一贯致力于提纯锗和硅以及制备大块单晶的工艺。
布拉顿曾经学习过量子力学，早在30 年代就在贝尔实验室事情，考试测验过肖克利的想法、用氧化亚铜制作半导体放大器，也多次考试测验过实现固体三极管的可能性，但是都没有成功。到了二战结束的时候，理论和材料准备好了，器件也就迎刃而解了。1947 年12 月，布拉顿和巴丁终于成功地发明了点打仗式晶体管。当时还有其他人也在做这件事情，纵然贝尔实验室做不出来，其他地方也能做出来。比如说，1948 年4 月，马塔利(H. Mataré)和维尔克(H. Welker)在法国独立地发明了点打仗式晶体管。
晶体管发明往后
从20 世纪50 年代起，晶体管开始逐渐替代真空电子管，并终极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，由于它太贵了。但是美国军方很感兴趣，由于军用设备对便携性、可靠性和耐用性有着分外的哀求。在50 年代的大部分韶光里，正是美国军方的支持才让年轻的晶体管家当生存下来。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，美国肯尼迪总统宣告“在1970 年以前把人送到月球上”。与苏联比较，美国的火箭技能略微掉队一些，以是减轻重量就更有必要了，所有的电子设备都尽可能地是用晶体管。以晶体管为根本的半导体家当也因此而突飞年夜进。集成电路成为了这个期间的主角。
在晶体管出身往后的十年里，涌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)发明了却式场效应晶体管(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。在这个期间，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。以电子打算机为例，第一台通用电子打算机ENIAC 是在1946 年投入利用(图3)，1956 年退役，它利用了大约2 万根真空三极管，占用了一间大屋子(167 平方米)，耗电150kW，打算能力仅为每秒钟
进行5000 次加减法(20 位的十进制数)。1954 年，贝尔实验室开拓了第一台晶体管化的打算机TRADIC，利用了大约700 个晶体管和1 万个锗二极管，每秒钟可以实行1 百万次逻辑操作，功率仅为100瓦。1955 年，IBM公司开拓了包含2000 个晶体管的商用打算机。
图3 第一台通用电子打算机ENIAC
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，很多人都有了这个动机，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(图4)，个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，集成电路的时期开始了。2000 年，基尔比由于发明了集成电路而荣获诺贝尔物理学奖。
图4 基尔比（1923~2005）和他制作的第一片集成电路
接下来的十年，晶体管的进展就更加迅猛了。大略举几个例子吧。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观点的详细实现；1967 年，卡恩和施敏(S. M. Sze)制作了浮栅型MOSFET，为半导体存储技能奠定了根本。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，图5)：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家当发展的履历公式，结果竟然奇迹般地揭示了此后五十多年信息技能进步的速率。为了折衷半导体家当的发展，从90 年代起，国际半导体家当界开始方案研究路线图，包括美欧日韩及中国台湾等半导体家当发达的国家和地区。从1998 年开始，半导体技能国际路线图( 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，而是超越摩尔的计策(More than Moore strategy)：以前是芯片先行、运用跟随(运用随着芯片走)，今后则是芯片为运用做事。
图5 摩尔定律（1900~2020）
自摩尔定律出身以来，半导体科技和家当的发展日月牙异、突飞年夜进。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)，并终极引发了摄影技能的大革命，利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)，起初是导致了袖珍打算器的遍及，进而导致了个人电脑的涌现。1976 年，克雷公司推出了Cray-1 超级打算机，运算速率达到了惊人的2.5 亿次。此后，苹果个人电脑、IBM兼容机、互联网的涌现和发展，终于把我们带到了大数据的时期，发生在2016 年的两大代表性事宜便是：阿尔法狗(AlphaGo)降服围棋天下冠军李世石；“神威·太湖之光”夺得超级打算机天下排行榜的第一名，每秒可以实现9.3 亿亿次的浮点运算。这些进展肯定不可能在这篇短文里描述了。表一汇总了诺贝尔物理学奖付与给半导体科技的情形，让大家浮光掠影地感想熏染一下。
接下来就转而谈谈半导体科技在中国的发展过程。
中国的半导体科技
晶体管发明的时候，中国还处于解放战役期间。新中国建立往后，许多半导体科技专家相继返国，开始了中国半导体科技的征程。以黄昆、谢希德、林兰英、王守武、汤定元、洪朝生、高鼎三、成众志为代表的老一辈科学家们为我国半导体奇迹的人才培养和家当发展做出了巨大的贡献。
1956 年，中国物理学会主理了“半导体物理谈论会”，并于1957 年出版了《半导体会议文集》。这次盛会拓展了海内半导体奇迹，对我国半导体科学技能的发展产生了深远的影响，终极匆匆使半导体科学技能列入我国《十二年科学技能远景方案》，成为五十七项任务之一。科学方案委员会还提出了“发展打算技能、半导体技能、无线电电子学、自动学和远间隔操纵技能的紧急方法方案”并得到了批准。
1956~1958 年，我国创办了第一个五校联合半导体专业，开始自主培养半导体科技人才。1962 年举行了全国第二次半导体学术会议。自1979 年起，全国半导体物理学术会议每两年召开一次，第21 届会议2017 年在南京大学召开。这些会议以及海内其他的半导体科技学术会议，促进了海内半导体研究领域的学术互换，帮助大家理解国际重大前沿领域的发展动向，有效地提升了海内半导体科技领域的研究水平。
在材料和器件方面，我国的科研职员也做出了成绩。1957 年，拉出了锗单晶，研制了锗晶体管；1959 年，硅单晶；1962 年，砷化镓(GaAs)单晶；1962年，研制硅外延工艺；1965 年，硅基晶体管；1966 年，TTL 电路产品涌现，标志着我国已经能够制作小规模集成电路。
从20 世纪70 年代起，我国陆续建成投产了以国营东光电工厂(878 厂)和上海无线电19 厂为代表的几十家集成电路工厂。1976 年，中国科学院打算所研制成功1000 万次大型电子打算机。改革开放往后，更是加速引进国外前辈技能。在每一个五年操持期间，都制订了半导体科技特殊是集成电路技能的发展计策并进行科技攻关。
2000 年，国务院发布了《鼓励软件家当和集成电路家当发展的多少政策》。从此，海内成立了多家国家级IC 设计家当化基地和包括中芯国际在内的很多半导体科技公司，英特尔、三星等国外公司也在中国建厂。然而，也是在此期间，中国半导体集成电路芯片入口迅速增加，现在每年的入口总额超过了两千亿美元(约公民币1.5 万亿)，乃至超过了石油。2014 年，国家大基金成立，标志着政府对以集成电路为代表的半导体科学技能的重视，但是详细效果还有待不雅观察，而且这几年里也多次传来说，中国在外洋并购半导体企业时受到了外国政府以国家安全为由的各种阻挡。
回顾新中国六十多年的发展历史，我们可以看到，国家一贯非常重视半导体科学技能，建立了半导体研究和生产的体系，并形成了一个基本的框架，为国民经济培植和国防奇迹做事。但是，由于国民经济水平的限定，国家对半导体研究的投资毕竟不能跟西方发达国家比较(相称大的人力物力财力须要投入到两弹一星这样保障国家根本安全的领域)。改革开放以来，我国与国际水平的差距却
越来越大了。缘故原由大约有这么几个：精良青年人才被发达国家“挖走了”，留在海内的也大多选择经济收入更好的行业；随着老一代科研职员的退休，许多学校的半导体专业都萎缩了；科研模式的变革也有一定的影响，除了为军工做事的一些研究以是外，科学院和大学里的研究开始从以前的团体作战模式逐渐变革为科研个体户模式，原来有着整体方案的教研室和课题组都逐渐消亡或者有名无实了；家当界的研究更关注短期成效，对半导体科技研究的长期投入不感兴趣。最近十年以来，国家对半导体科技的重视程度日益增大，但是要想看到成效，仍旧须要更多的投入和韶光。
总结
回顾晶体管出身以来国际半导体科技发展的七十年历史，我们不丢脸到，根本科学研究对国民经济和国防安全有着重大意义，而科技家当的需求反过来又进一步推动了根本科学研究的进步，2014年得到诺贝尔物理学奖的白光LED便是一个很好的例证，而且正在为环球性的节能减排事情做出重大的贡献。
对付半导体科技这种关系国计民生的高投入、高产出的重大领域，没有长远的方案、没有充分的投入，是不会有快意的结果。现在，中国经济已经有了巨大的进步，完备有能力而且也有必要投入半导体研究：重新方案大学院系的传授教化模式、重新设计项目课题的研究办法、重新折衷科研与生产的关系，“十年生聚，十年教训”，二十年后，无论是科研还是生产，中国该当有着最强大的半导体奇迹。
① Riordan, M., and L. Hoddeson, Crystal Fire: The Birth of the Information Age (W. W. Norton, New York, 1997).
②《硅星球: 微电子学和纳米技能革命》约翰D克雷斯勒著, 张溶冰张晨博译, 上海科技教诲出版社, 2012 年。
③《半导体的故事》, 约翰·奥顿著, 姬扬译, 中国科学技能大学出版社, 2015 年。
