从石器时代到硅器时代
——从半导体工业的发展看近代科学发展
人类学家说，你我同属现代直立人，大概20万年前由智人变过来。历史学家将这20万年分为石器时代、铜器时代和铁器时代。社会学家宣称现在到了信息时代。仔细想一下，还是历史学家深沉。人类的物质文明归根到底是器具的制作和使用，以材料作为文明阶段的标识再简明不过了。信息时代的特征性材料是硅，如今，以硅为原料的电子元件产值超过了以钢为原料的产值，人类的历史因而正式进入了一个新时代。按历史学家的论法，与石器时代相对，当代应该叫硅器时代。硅所代表的正是半导体元件，包括存储器件、微处理器、逻辑器件与探测器等等在内，无论是电视、电话、电脑、电冰箱、汽车，这些半导体器件都无时无刻不在为我们服务。硅是地壳中最常见的元素，许多岩石的主要成分都是二氧化硅，然而，经过数百道工艺制成的集成电路，其价值可达上万美元；把石头变成硅片的过程是一项点石成金的成就也是近代科学的奇迹之一。由此看来，人类的科学发展过程也可以看成是一个不停寻找新材料的过程，然而上帝似乎和人类开了一个玩笑，用了20万年的时间我们的材料从石头又回到了石头！然而，其间每一次时代的变更都象征着人类科学和技术的一次飞跃，也正是由于科学和技术的发展才推动了人类社会的前进。从1948年第一只晶体管诞生至今，仅仅50多年的时间，但是人类在这50年时间内创造的财富是过去几个时代的总合。因此半导体工业的发展，是近代科学和技术的发展的一个缩影。
P-N结的发现
早在本世纪初，人们掌握了电子在真空中的运动规律，发明了真空三极管（电子管），开创了电子技术的新领域。但是真空三极管的使用效率非常低，加上灯丝过热，使用时间短，特别是处理高频信号的效果不理想，科学家们一直在寻找新的材料来代替真空管的缺陷。位于美国新泽西州的美国电报电话公司贝尔实验室的科学家们在寻找更好的检波材料时，发现掺有某种极微量杂质的锗晶体材料整流性能比电子管要好。1940年3月6日下午美国科学家奥尔（R. Ohl）和斯卡夫 ，用一根系着导线的硅片联接一只伏特表，当他用手电筒照射这条硅棒时，伏特表的指针偏转到半伏的刻度线上。这个制备这个硅棒时为了避免爆裂，要先熔化硅然后缓慢的地冷却，在硅晶体固化的过程中，硅锭中的杂质被同时分离，中心部分是“纯净”硅，而在顶部的那一部分含杂质的便是“商品”硅。在切割时，一位技师无意间正好切在纯净硅和商品硅的交界面。因此，其中之一就表现为纯净硅的特征，另一部分表现出“商品”硅的特征。看起来势垒是在这两个区的交界处的界面上形成的，就像在金属铜与氧化层之间的界面处必定存在势垒一样。当意识到差一点就被他们错过这种现象的重要性的时，他们决定有必要为这两种表现出不同物理特性的硅进行命名。他们创造了“P型”（正极）和“N型”（负极）这两个词汇，以此来表示两个明显不同的区域。当有光束照射时，P型硅晶体（P-type silicon）将产生正电势，N型硅（N-type silicon）产生负电势，在这两种类型的半导体之间存在的光敏势垒就是“P-N结（P-N junction）”。当奥尔发现这种效应时另一位科学家贝克尔也在场，而且他手中有大量的活性硅，可是他未能发现光生伏特效应。“在科学研究中你必须奋起直追，你必须关注类似于此的非常重要的事件；一旦发现，你就得了解它，认识它。”
三极管的发明
１９４５年秋天，美国贝尔实验室成立了半导体研究小组，这一小组由１９３６年进入贝尔实验室的肖克利负责，成员有布拉顿、巴丁以及其他科学家。肖克利专长于理论研究，有着丰富的物理思想，巴丁是运用基础理论解决实际问题的大师；布拉顿则是善于巧妙地进行各种实验的能手，他们的主攻方向是发现控制半导体中电子流动的方法，探索一种能排除电子管缺陷并起到放大作用的电子器件，并以硅、锗这类半导体作为研究对象。１９４６年半导体组作出决定，把注意力集中到两种最简单的半导体材料锗和硅上，经过反复实验巴丁和布拉顿制成了固体器件。他们利用两个靠得很近，间距为０.０５毫米的触须接点来代替金箔接点，制成了“点接触型晶体管”。布拉顿回忆这段发明史时这样记述到：“我决定在锗表面上做两个靠得比０.０５毫米还要近的触点，而我们作点接触的最细的导线直径是０.１３毫米，这在工艺上提出了难题。不过，由于技术助手的帮助，我做到了这一点，他剪了一片三角形的塑料片，并在其狭窄而平坦的侧面上牢固地粘上金箔。我们先在金箔的两端连接引线（并通电源），以便检查金箔是否被割开，我小心地使用薄刀片的顶端把金箔割成两半，然后用弹簧加压的办法，把塑料片连同金箔一起压在经过处理的锗片上......，我发现，假若我轻轻地摇动它，使它处于最佳的接触位置，我就得到了半导体同金箔两端的两个触点，一个当成发射极而另一个当成集电极。这样，我就得到了一个放大倍数达１００量级的放大器，而且直到音频还是清晰的”。１９４７年，他们终于制成了世界上第一个固体放大器晶体三极管。在实验笔记上布拉坦写道：“电压增益１００，功率增益４０，电流损失１／２.５......”。
肖克利早年在加州理工学习物理，后来他转到麻省理工攻读博士学位。在麻省，他一头扎进奇妙无比的量子力学世界，并开始探索电子束通过类似于普通食盐的晶体材料时的行为表现。后来在肖克利开始想办法色即一种牢固的固体材料器件，来替代通常用于通讯设备的性能极不稳定的电子管转换器和放大器。他对量子世界的熟悉使他在这种探索中占有明显的优势。但是，由于不断的失败他放弃了，掉头转向其他项目，有巴丁和布拉顿继续研究。在历史两年的研究工作中，巴丁和布拉顿偶然发现了一种不同却成功的方法，最终研制出了晶体管放大器。多年之后，肖克利回忆道：“我对小组成功的兴奋之情因未能成功成为发明者之一而降低，我在这方面所做的努力至少有八年之久，我所经历的最大挫折就事在该项划时代发明中自己所做的一起都是徒劳。”科学研究中存在许多偶然的因素，虽然肖克利没能成为晶体管的发明者之一，但他的研究为日后电子学及无线电通讯研究领域突破性的进展奠定了基础。巴丁、布拉顿、肖克莱也因此而获得１９５６年的诺贝尔物理学奖。
半导体放大器的突然问世证明了凯利（当时的贝尔实验室主任）强调对固体物理进行基础研究的决策是十分明智的。导致这一重大发现的关键就在于认识到了量子力学的重要性，尤其是空穴在半导体材料表面附近运载电荷的过程中扮演的极其重要的角色。用经典物理理论来理解半导体材料的性能是远远不够的。其次凯利坚持多学科交叉研究的做法也同样被证明是明智的选择。在贝尔实验室半导体研究小组里，基础理论研究、实验室装备及技术专长紧紧地结合在一起。正是这种结合导致了巴丁和布拉顿 成功的发明了晶体管。
另外巴丁、布拉特和肖克利三人成长的环境虽然有一定的差异，但有惊人的相似之处。这三个家族均根植于美国中西部和西部，远离欧化的大西洋中心。尽管在19世纪末荒原已基本开发完毕，但那种拓荒精神在这些边远地区仍然兴盛，人们崇尚独立和自信。他们涉足物理学虽然基于各自理由，但这三人均享有共同的实践视野，这就是托克维尔（A.De Tocqueville）[1]所说的美国人的显著特征。他们都深信科学是社会进步的动因，它在广泛的领域内为人类谋取福利。欧洲物理学家所追求的纯理论的、服务于内在逻辑的知识及思辨式方法至少在20世纪前还未在美国生根，尤其是在阿巴拉契亚山脉西部，也就是美国西部。19世纪末20世纪初涌现的发明浪潮可以看作是美国本土实用主义哲学在推波助澜，晶体管的发明就是一个很好的例证。
集成电路的出现
晶体管的出现使电子设备体积缩小，耗电减少，可靠性提高。由于晶体管可形成大规模工业化生产，其售价便宜，使电子设备成本也大幅度降低。然而，电子元器件的这些变革，仍然满足不了电子工业迅速发展的需求，对导弹、火箭、人造卫星和宇宙飞船来说，迫切需要轻便、小巧、可靠的电子设备，晶体管已达不到这个要求。以一台中型电子计算机为例，它的电子元件数高达上百万个，单机元件增多，暴露出晶体管自身的缺陷。为了克服晶体管的这些弱点，科学家想尽办法使它的体积变小，与之配套的电阻、电容、线圈、继电器、开关等元件，也沿着小型化的道路被压缩成微型电子元器件，晶体管最小的已达到只有小米粒一样。然而，晶体管本身的小型化当然不是无限的，它达到一定程度后就很难再缩小了，于是人们又转而着手做改革装配技术的尝试，专家们将小型晶体管和其它小型元件，紧密地排在一起装配在薄薄的带有槽孔的绝缘基板上，用超声波或电子束焊接好，再把安装好的基板一块块地重叠起来，构成一个高度密集的立方体，形成高密度装配的“微模组件”。采用这种方法，最高可以把２００多万个元件封装在一立方米的体积中，这几乎达到封装密度的极限。不过，随着电子设备中焊接点的增多，出故障的可能性愈大。微模组件虽然缩小了元件所占的空间，但并没有减少各元件之间的焊接点数目。因此，微模组件也就没能提高电子设备的可靠性。同时，由于元件过分密集，装配很不方便，劳动强度增加了，所以电子设备的成本便不可能降低，这样一来，要想继续改进电子设备，必须另辟蹊径。人们发现在晶体管内部结构上蕴藏着小型化的巨大潜力。实际上，晶体管中真正起作用的部分只是芯片，按照理论计算，一个小功率晶体管芯片面积只要数十平方微米就足够用了。但是，由于操作人员不可能在更小的尺寸范围内精确处理，芯片往往有0．5平方毫米大小，这就是说，晶片面积的99％白白浪费了，而且，一个晶体管除了芯片以外，还有引线。支架、管壳和底座，芯片只占整个晶体管总重的0．03％左右，芯片的体积也只占总体积的0．02％。为了充分利用这些闲置起来的空间，人们想把几个晶体管的芯片封装在一个管壳内，然后把各晶体管的电极引线引出管壳之外。但立刻又发现这种作法有很大的局限性。不仅不能充分利用晶体管内部的有效空间，相反过多的焊接点往往导致晶体管报废。就整体而言，焊按点并没减少。可靠性仍没能提高。至此为止．品体管的小型比的道路似乎面临了绝境。
1952年，美国雷达研究所的科学家达默（G.W.A.Dummer）在一次电子元件会议上指出：“随着晶体管的发明和半导体研究的进展，目前看来，可以期待将电子设备制作在一个没有引线的固体半导体板块中，这种固体板块由若干个绝缘的、导电的、整流的以及放大的材料层构成，各层彼此分割的区域直接连接，可以实现某种功能。”把电子线路所需要的整流、放大、绝缘、导电等功能元件，统统制作在一块半导体晶片上，晶片就得到充分利用，一小块晶片就变成一个完整电路，组成电路的各种元件——晶体管、电阻、电容及引线集合成一个不可分割的密集整体，从外观上已不能分辨哪个是晶体管，哪个是电容器，哪个是电阻了。传统电路中功能各异的分立元件界限消除了，这样一来，电子线路的体积就大大缩小，可靠性明显提高，这就是初期集成电路的构想。1956年，美国材料科学专家富勒和赖斯发明了半导体生产的扩散工艺，为研制集成电路提供了具体工艺技术，1958年，美国德克萨斯仪器公司的青年工程师基尔比，受达默思想的启发，大胆地提出了用一块半导体硅晶片制作一个完整功能电路的新方案·他在研制微型组件的晶体管中频放大器时，用一块硅晶制成了包括电阻、电容在内的分立元件实验电路、实验结果非常令人满意。到1958年底，他们已经解决了半导体阻容元件和电路制作中的许多具体工艺问题，确定了集成电路的标准封装尺寸，为大规模工业化生产做好了各项准备。1959年，美国仙童公司的诺伊斯研究出一种二氧化硅的扩散技术和PN结的隔离技术，从而完成了集成电路制作的全部工艺。紧接着，光刻技术和其他技术也相继发明，以致人们可以把晶体管和其它功能的电子元件压缩到一小块半导体硅晶片上。1961年，美国德克萨斯公司同美国空军合作，首先利用集成电路制成第一台试验性计算机，该机共有587块集成电路，只有285克，体积不到100立方厘米，功耗仅仅16瓦，运行可靠，工作准确无误，充分显示了集成电路的技术先进性和强大生命力。单块晶片上能集成100个以上门电路的集成电路称为大规模集成电路。而把能在单块芯片上集成10000个门电路的集成电路称为超大规模集成电路。随着制作工艺的进步和新技术的应用，人们把一个线路系统或一台电子设备所包含的所有晶体管和其它电子元件统统制在一块晶片上，从而大大缩小了体积并提高了可靠性。1969年出现了第一块大规模集成电路，之后随着大直径硅单晶材料性能的提高及离于束和新隔离技术的应用，特别是光刻工艺精度的不断提高，使制作在晶片上的电子元件的几何尺寸越来越小，于是在70年代中期，超大规模集成电路问世了。
这些人中任何一个人都没有独立的发明过晶体管，但是他们生活在注重多学科交叉的独特的美国研究机构里。一个特定的历史时期才使得晶体管的发明成为可能，这一切甚至还带有一定程度的必然性。在这种多学科交叉的气氛中，任何人的短处均可以由他人的长处来补偿。在晶体管发明的同时，几乎同它处于等价地位的技术还有晶体生长技术和晶体分区提纯技术，这些技术的问世使得人们能够制作大量超纯单晶硅和单晶锗，没有这些超纯度晶体材料，半导体工业是无法存在的。近代科学技术的飞速发展是个学科交叉的过程，
[1] 托克维尔：法国著名思想家，著有《论美国的民主》等
