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晶体管诞生70年 解读中国集成电路发展现状

时间:2019-10-31

“时间:1947年12月16日

日记号码:-7 "

70年前,当物理学家沃尔特布拉顿像往常一样写下他的实验日记时,他没有想到一个时代会开始。

这个实验的主要特点是半导体放大器比火柴棒更短更厚,火柴棒后来被命名为点接触晶体管。

点接触晶体管已经成为人类打开晶体管栅极的第一把钥匙。大门打开后,一场信息技术革命席卷全球。

70年后,晶体管几乎无处不在。人类用它作为砖块来建造虚拟世界。到目前为止,我们还没有找到晶体管的替代品,基于晶体管的集成电路将被人类长期依赖。

晶体管的出现是人类微电子革命的先驱。

在晶体管诞生之前,人们已经有了真空管。

电子管具有放大信号的功能,但存在很多缺陷:使用寿命低、体积大、可靠性差。

因此,人们希望找到一种装置来代替电子管。ATT领导下的贝尔实验室成为寻找道路的先锋。

贝尔实验室成立于1925年。自成立以来,它一直是世界上最大的工业实验室。在3 600名工作人员中,2 000名是技术员。

1945年7月,第二次世界大战接近尾声。为了适应战后研究方向的调整,贝尔实验室重组了各个研究部门。

在这次重组中,物理系成立了三个研究小组,其中一个是固体物理研究小组。该组分为两组:半导体和冶金。麻省理工学院的肖克利博士也是半导体集团的领导者。他将该小组的研究计划定义为“半导体放大器”的发展。

半导体(Semiconductor)是指常温下导体和绝缘体之间具有导电性的材料,如硅和锗,它们是常见的半导体材料。

清华大学微电子研究所所长魏少军说,要理解晶体管是如何工作的,可以想象大坝的水闸。

当大坝闸门关闭,没有水流出时,水轮发电机就不能发电。当闸门打开,水涌出时,水轮发电机可以输出电流。闸门的开启和关闭直接影响水轮发电机的运行,水轮发电机利用微弱信号控制强信号晶体管的基本原理是“放大”,用小电流控制大电流。

贝尔实验室有着设计晶体管的悠久历史。晶体管的诞生是长期积累的结果。从诺贝尔奖的归属来看,这一荣誉最终授予了3个人:肖克利、布莱顿和巴丁33,354人。

1947年12月16日,布拉顿和巴丁在经过许多改进后,面临着一种建立在锗晶体上的装置。在锗晶体的表面,用一个弹簧压住两边都包着金箔的三角形塑料楔。两边的金箔是信号的输入和输出。

就这样。在那天的实验中,我们成功地放大了30%的输出功率和15倍的输出电压。

以现代标准衡量,这种触摸晶体管的原型过于简单和笨拙,但不可否认,它是微电子革命的先驱。

此后,双极晶体管、单极晶体管和硅晶体管相继问世。

“从移动计算到智能计算,当今时代的各种变化都离不开电子信息系统。晶体管是最基本的器件。”魏少军说晶体管对于信息革命就像铁对于农业革命和蒸汽机对于工业革命一样重要。"它的重要性怎么强调都不为过。"

中国起步还不晚,但仍然落后。

晶体管应该被用来做更多的事情,但前提是它们足够小。

如何找到晶体管、导线和其他器件的有效连接方法?大约在1958年,美国两个三十出头的年轻人各自想出了自己的解决方案,这就是我们今天已经知道的集成电路。

如果我们说晶体管的诞生是蝴蝶扇动翅膀,那么远离海洋的中国也敏锐地感受到了风暴的信号。

中国现在开始还不算太晚。20世纪50年代中期,中国开始实施第一个五年计划。半导体作为一门新的科学技术,受到党和政府的高度重视。1956年,中国在没有技术数据和完整设备的情况下,成功研制出第一批半导体器件锗合金晶体管。1965年,中国再次拥有集成电路。

"说到我国的第一代半导体,那真是令人惊叹."中国科学院微电子研究所所长叶田春感叹道:“他们带着知识回家,开发自己的设备,准备自己的材料,训练第一批学生,从头开始。”

在前20年,中国集成电路与世界的差距并不大。但是在接下来的20年里,道路开始扭曲。

区别不在于技术,而在于工业。一个尚未完成工业化的国家刚刚走出计划经济时代,不知道如何组织大规模的商品生产。此时,进一步发展高科技产业更加困难。

工业无法发展,技术研发也在挣扎,陷入恶性循环。叶田春记得,当他在1986年第一次加入集成电路行业时,整个行业正处于痛苦的转型之中。我们仍在学习如何批量生产高质量、低成本的产品,并在混乱中摸索。

20世纪80年代和90年代,国际集成电路产业开始腾飞。“这是国家发展阶段之间的差别,没有什么可抱怨的。”叶田春坦率地说道。

真正的转折点发生在2008年。

那一年,国家重大科技项目启动。“核心电子器件、高端通用芯片和基础软件产品”、“超大规模集成电路制造设备和成套技术”等特殊项目都指向集成电路。五年后,当技术储备达到一定水平,工业投资增加时,它被列入议程。

2014年,国务院发布 《国家集成电路产业发展推进纲要》 ,设立国家产业投资基金。“效果一下子就显现出来了。为什么能这么快?因为技术体系已经建立起来了,能支撑产业体系的快速发展了。”叶甜春总结,“这是一套组合拳,堪称完美。”

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