重大工程 | 半導體 電晶體和集成電路

1947年12月23日聖誕節前夕，在美國新澤西州貝爾實驗室里，3位科學家肖克萊博士、巴丁博士和布菜頓博士正有條不紊地進行著用半導體晶體把聲音信號放大的實驗。

他們驚奇地發現，器件中通過的一部分微弱電流，竟然可以控制另一部分大得多的電流，產生放大效應。

當時人們還未意識到，這個器件，就是在科技史上具有劃時代意義的成果——電晶體。

正是因為這份「獻給世界的聖誕節禮物」，3位科學家共同榮獲1956年諾貝爾物理學獎。

這項神奇的發明究竟是什麼呢？電晶體被人們形象地稱為「三條腿的魔術師」，是一種三個支點的半導體固體電子元件。

像金、銀、銅、鐵等金屬，它們導電性能好，叫做導體。

木材、玻璃、陶瓷、雲母等不易導電，叫做絕緣體。

導電性能介於導體和絕緣體之間的物質，如矽、鍺、砷化鎵等，就叫半導體。

電晶體就是用半導體材料製成的，這類材料最常見的便是鍺和矽兩種。

電晶體的體積只有電子管的十分之一到百分之一，放熱很少，可用於設計小型、複雜、可靠的電路。

電晶體誕生之後，便被廣泛地應用於工農業生產、國防建設以及人們日常生活中。

1953年，首批電池式的電晶體收音機一投放到市場，就受到人們的熱烈歡迎。

不久，不需要交流電源的袖珍「電晶體收音機」開始風靡世界，引起了一個新的消費熱潮。

人類從此進入了飛速發展的電子時代，電晶體的發明也為後來集成電路的降生吹響了號角。

那麼集成電路是如何誕生的呢？任何發明創造的背後都有需求的驅動，驅動力往往來源於實際問題。

1942年在美國誕生的世界上第一台電子計算機，是一個占地150平方米、重達30噸的龐然大物，裡面的電路使用了17468隻電子管、7200隻電阻、10000隻電容、50萬條線，耗電功率高達150千瓦。

顯然，占地面積大、無法移動是它最直觀和突出的問題。

人們不禁想，如果能把這些電子元件和連線集成在一小塊載體上該有多好。

1958年,美國德州儀器公司的基爾比(Jack Kilby)在研究微型組件時,提出用同一材料做出電晶體、電阻、電容等元器件的設想。

同年9月，世界上第一塊集成電路板在德州儀器公司實驗室誕生。

談到集成電路，就不得不提到Intel的創始人之一戈登·摩爾。

戈登·摩爾在1965年發現集成電路中的核心器件電晶體的造價，每十二個月可以降低50%，而集成度可以增加100%。

電晶體相當於集成電路中的開關，像水龍頭可以起到控制水速的作用一樣，電晶體在集成電路中利用它的開關來完成運算、儲存等功能。

雖然後來發展周期被延長到18個月，但這個發展速度也是非常驚人的。

集成電路是一門高科技，它促進了很多門學科的發展，包括自動化、裝備生產、精密儀器、微細加工等產業。

1美金的晶片所能帶動的GDP相當於100美金，而全世界一年的晶片產值所撬動的GDP，相當於中國和美國的GDP之和，而且，這個產業對我們國家的信息安全具有非常重要的作用。

中國的晶片市場占了全世界的50.7%，是世界上最大的晶片需求市場，但自給率卻不到10%。

從2008年開始，我國的集成電路進口占據了進口商品中最大的一部分，甚至超過了石油和糧食。

目前，我國集成電路生產技術還比較落後，面臨著巨大的挑戰。

首先，為了降低成本，我們要儘量在單位面積上製造出更多的電晶體，縮小電路板面積。

其次，努力提高集成電路的運算速度，這關乎我們所使用的電腦、手機的運算速度。

第三，要保證產品性能穩定，保證足夠的成品率，避免漏電太大，影響手機等電子設備的續航時間。

第四，我們的新興產品要儘快進入市場，這樣才能保證產品有足夠的盈利空間，保證充足的資金繼續做下一代研發。

半導體、電晶體和集成電路技術，通過微型化、自動化、計算機化和機器人化，將從根本上改變人類的生活方式。

微電子技術的奧秘，正等待著一代又一代科研工作者不斷地發現、不斷去追尋。

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