清晨叫醒你的智能手環(huán)，通勤時幫你導航的手機，還有廚房里把飯煮得剛好的電飯煲——這些天天用的東西里，都藏著同一個身影。它不是什么神秘黑科技，也不是虛構(gòu)的魔法，是真實存在的材料，我們給它起名叫作“電子世界里的魔力石頭”，幾乎所有現(xiàn)代設(shè)備的核心都靠它運轉(zhuǎn)。這塊看似普通的材料，像文明的神經(jīng)中樞一樣，悄悄帶動著我們生活的每一次變化。今天咱們就揭開它的面紗，看看這塊“石頭”怎么從實驗室走到全世界，成為了改變?nèi)祟愇拿鞯年P(guān)鍵力量。

前世：神秘的“兩面派”物質(zhì)

要說半導體是什么，我們得先從材料世界的“二元對立”說起。在半導體登上歷史舞臺之前，物質(zhì)世界涇渭分明：像銅、鐵這類能順暢導電的，被稱為“導體”，好比暢通無阻的高速公路；而像塑料、橡膠這類完全阻擋電流的，則是“絕緣體”，如同密不透風的圍墻。

絕緣體、半導體和導體的能帶示意圖

（圖片來源：《半導體物理學》）

半導體，恰恰是介于二者之間的“兩面派”。更神奇的是，它能像門閂一樣控制電流的開關(guān)。它的導電性并非一成不變——不像導體那樣“死心塌地”，也不像絕緣體那樣“頑固不化”，而是會受到溫度、光照，特別是摻入微量雜質(zhì)的影響。

早在19世紀，科學家就注意到了硫化鉛、氧化亞銅等材料的這種“古怪”的行為。但在當時，它們僅僅被用作“檢波器”，安置在早期收音機中捕捉微弱的無線電信號。此時的它就像一顆被埋在沙子里的小寶石，沒人發(fā)現(xiàn)其真正的價值。

直到20世紀三四十年代，量子力學的興起，才真正揭開了半導體導電性的謎團。它的秘密藏在內(nèi)部那精巧的能帶結(jié)構(gòu)里。我們不妨將其想象成一座層次分明的“電子停車場”：價帶就像停滿了電子的“滿車庫”，電子們緊密相挨，幾乎沒有活動空間；而導帶則是空蕩的“高速車道”，只有獲得足夠能量的電子，才能越過能隙，從“車庫”躍上“車道”，化身為自由的電荷，參與電流的流動。當電子離開原本的位置后，車庫里便出現(xiàn)一個空位——這就是“空穴”。它會吸引周圍的電子不斷填補，從而讓“空穴”看似在反方向移動。

圖以電子停車場類比，展示價帶、導帶中電子與空穴的行為

（圖片來源：作者繪制）

于是，在半導體里面，電子和空穴會一起運動形成特別的狀態(tài)。這種雙重導電的方式，讓半導體有了既不像導體也不像絕緣體的獨特電學性質(zhì)，也為后來的電子革命留下了伏筆。不過那時候，它還只是實驗室里讓人感興趣的“科學寶貝”，能改變世界的巨大潛力還在等著被人發(fā)現(xiàn)。

誕生：改變世界的“點金石”——晶體管

在半導體真正“發(fā)光”之前，電子設(shè)備的核心是笨重的“真空管”。且看1946年問世的第一臺通用計算機ENIAC：它使用了1.8萬只真空管，占地170平方米，活像一間電子“溫室”，功耗高達150千瓦，每次啟動都足以讓整個街區(qū)的燈光為之一暗。

1946年問世的第一臺通用計算機 ENIAC

（圖片來源：Wikipedia）

1947年，變革悄悄開始了。美國貝爾實驗室里，巴丁、布拉頓和肖克利三位科學家做出了世界上第一個晶體管。這個發(fā)明后來被稱作“20 世紀最偉大的發(fā)明”，不光讓他們拿到了諾貝爾物理學獎，也讓人類正式走進了信息時代。

真空管（左）和晶體管（右）

（圖片來源：新視界）

你可能會問：晶體管究竟是什么？它有何魔力？

我們可以將它比作一個精準的微型水龍頭：只需用極小的力氣（微弱的電流或電壓）擰動閥門，就能控制遠大于此的“水流”（強大的輸出電流）。這就是它的“開關(guān)功能”，對應(yīng)著計算機世界最底層的“0”（關(guān)）與“1”（開）。同時，它還能扮演“擴音器”的角色，將微弱的電信號放大成千上萬倍，讓我們能清晰地通電話、聽廣播、看視頻。

晶體管的出現(xiàn)是革命性的。它憑借小巧、可靠、省電、長壽的絕對優(yōu)勢，將笨重的真空管“趕下了臺”。從此，人們得以制造出便攜的收音機、輕便的計算機。半導體，不再只是一塊“特殊材料”，而是撐起了一個全新的產(chǎn)業(yè)，真正推開了信息時代的大門。

今生：從晶體管到芯片——一場集成革命

單個晶體管雖然小巧，但要想建造復雜的計算機，需要成千上萬個晶體管相互連接，這依然是項龐大的工程。

1958年有了轉(zhuǎn)折，科學家基爾比等人想了個大膽的主意：能不能把多個晶體管、電阻、電容這些元件，還有它們之間的連接線路，全都集成在同一塊半導體晶片上制造呢？這個聰明想法催生出了“集成電路”，就是咱們常說的“芯片”。它從根上解決了元件間連線復雜的問題，也讓電子元件從“分立”變成了“集成”，從此開啟了微電子時代。

此后，半導體技術(shù)就像坐上了“火箭”，沿著“摩爾定律”的軌跡狂飆突進。這條定律是英特爾創(chuàng)始人戈登?摩爾提出的：集成電路上能裝的元器件數(shù)量，約每18-24個月就會翻一倍，性能也跟著提升一倍。

摩爾定律

（圖片來源：參考文獻[1]）

這意味著尺寸上，早期芯片元器件以微米為單位，如今已縮小至納米級，相當于將一根頭發(fā)絲拆分成數(shù)萬份；性能上，從最初只能容納幾個晶體管到現(xiàn)在指甲蓋大小的芯片可集成數(shù)百億個，運算速度較早期計算機提升上億倍；成本上，單個晶體管的平均價格急劇下降，這也使得電子設(shè)備可以進入尋常百姓家。而我們今天的數(shù)字世界，就是建立在集成電路這塊“魔力基石”之上的。

應(yīng)用：無處不在的“數(shù)字心臟”

如今的半導體芯片，早已不再是藏在實驗室里的精密元件，而是像空氣般無孔不入地融入生活，成為萬千設(shè)備跳動的“數(shù)字心臟”。

在計算和通信領(lǐng)域，芯片一直是核心。CPU是計算機和手機的“大腦”，管著數(shù)據(jù)處理和指令執(zhí)行；內(nèi)存和硬盤像“智能倉庫”，存著照片、文檔這些數(shù)據(jù)，要用的時候就能取；通信芯片則是連接世界的“橋梁”，支持Wi-Fi上網(wǎng)、5G視頻通話這些功能。

日常生活里，電視、冰箱、空調(diào)、智能手表這些設(shè)備也都離不開芯片。電視能顯示清晰畫面，冰箱能精準控溫，智能手表能監(jiān)測健康，這些功能都要靠芯片精準控制。

在更廣闊的工業(yè)與能源領(lǐng)域，芯片同樣發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。工業(yè)機器人依靠它完成毫厘不差的操作；電網(wǎng)的智能系統(tǒng)通過它調(diào)節(jié)電流，避免斷電風險；新能源汽車中的自動駕駛系統(tǒng)，也仰賴多個芯片協(xié)同工作，實時處理路況與安全信息。

往未來看，不管是人工智能的深度學習、量子計算的潛力，還是物聯(lián)網(wǎng)的萬物互聯(lián)，都得靠半導體芯片這顆“數(shù)字心臟”提供動力。

挑戰(zhàn)與未來：“后摩爾定律”時代的探索

如今，我們正面臨一個核心挑戰(zhàn)：摩爾定律已逐漸逼近其物理極限。當晶體管尺寸縮小至幾個納米時，微觀世界的“量子效應(yīng)”便會打破傳統(tǒng)物理規(guī)律：電子會像掌握了“穿墻術(shù)”一般，發(fā)生“量子隧穿效應(yīng)”，不受控制地穿過本應(yīng)隔絕的壁壘，導致晶體管開關(guān)失靈；與此同時，芯片體積越小，單位面積內(nèi)的元器件密度越高，熱量越難散發(fā)，輕則影響性能，重則可能因過熱直接損壞。這些問題都成了阻礙半導體繼續(xù)“變小變強”的攔路虎。

為了突破這一困境，科學家和工程師們正在多條路徑上尋求突破。

材料領(lǐng)域里，人們在找比硅更好的“替代品”，比如碳納米管和石墨烯。這些新材料不僅比硅薄很多，導電能力更強，散熱也更快，說不定能讓芯片性能有新的突破。

結(jié)構(gòu)設(shè)計上，晶體管從2D平面轉(zhuǎn)向了3D立體，比如FinFET（鰭式場效應(yīng)晶體管）像立起來的“魚鰭”，能更精準控制電流走向；更先進的GAA（環(huán)繞柵極晶體管）則用柵極把導電溝道“四面圍住”，像給電子筑了道結(jié)實的圍欄，大大減少了電流泄漏。

晶體管結(jié)構(gòu)改革

（圖片來源：參考文獻[2]）

而在技術(shù)范式上，全新的思路正為半導體打開新空間。Chiplet（芯粒）技術(shù)像搭樂高積木一樣，將不同功能、不同工藝的芯片靈活組合，突破單晶片面積的限制，達到了提升性能并降低成本的效果；量子芯片則跳出傳統(tǒng)二進制的框架，用“量子比特”的疊加態(tài)進行運算，理論運算速度可達現(xiàn)有芯片的上億倍，但目前處于早期研究階段；光子芯片則用光信號替代電信號傳輸數(shù)據(jù)，速度更快，能耗更低。

結(jié)語

半導體的故事，是一段從“微觀世界”改變“宏觀文明”的傳奇。它從實驗室里一塊“怪脾氣”的材料，成長為信息時代的“基石”，引領(lǐng)人類從“機械時代”邁入了“數(shù)字時代”。

未來，雖然半導體的發(fā)展之路依然挑戰(zhàn)重重，但人類對更高效計算、更智能生活的追求永不停歇。這塊小小的“魔力石頭”，必將在未來書寫新的篇章，幫助我們實現(xiàn)那些今日尚不敢想象的奇跡。

而我們，正是這段偉大傳奇的見證者，更是參與者。

參考文獻：

[1]Li, S. (2022). From Moore’s Law to Function Density Law. In: Li, S. (eds) MicroSystem Based on SiP Technology. Springer, Singapore.

[2] A. Hikavyy, I. Zyulkov, H. Mertens, L. Witters, R. Loo, N. Horiguchi. Use of high order precursors for manufacturing gate all around devices. Materials Science in Semiconductor Processing 70, 24-29 (2017).

出品：科普中國

作者：胡勇（東北大學長聘教授）

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