《芯片简史》读书笔记 #5
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第一部分 诞生1 不确定的世界，从电灯泡到半导体 要想发明芯片和晶体管，先要有半导体技术；要想有半导体技术，先要有量子物理学。基础学科是技术突破的深厚土壤。 对半导体导电性的理解离不开对微观粒子基本规律的认识，尤其是对原子中电子的特性认识，而经典物理学无法解释一些现象，其中包括困扰爱迪生的灯泡发光效率低下的问题。由此，普朗克研究了背后的黑体辐射问题，并于1900年提出将辐射能量当作一份一份的“量子”，从而催生了量子物理学。
灯泡诞生于19世纪，爱迪生在尝试解决灯泡内壁被熏黑的问题时，偶然发现了在真空灯泡中存在着单向电流。爱迪生的公司聘请的大学教授弗莱明也无法解释这一现象。直到1897年在剑桥大学的物理学家汤姆逊，在玻璃管的两端分别安装了金属电极，通电后，一些带电微粒从一端的阴极电极飞向了另一段的阳极。就这样，汤姆逊第一次劈开了阴极金属中的原子，剥离出带负电荷的电子，使它们飞出阴极，形成了一条真空中的“电子之河”。（汤姆逊发现电子的剑桥大学实验室外墙上顶着一块铭牌：“汤姆逊于1897年在卡文迪许实验室发现了电子，它是物理学上的首个基本粒子，也是化学键、电子学和计算机科学的基石”。）汤姆逊的这一发现，使弗莱明恍然大悟：原来灯丝通电受热后，灯丝原子中的电子逃逸出去，飞向了铜片，从而产生了单向电流！正如河水总是由高处流向低处，电子也是从能量高的地方沿着“能量斜坡”流向能量低的地方。只是电子的流动或飞行不需要河床或者导体，它在真空中就能完成这一过程。 弗莱明很快仿照这种灯泡设计了一种带有圆柱形玻璃罩的真空器件，做成了一个快速的单向导电器，由于真空二极管没有机械部分，电流纯粹靠电子的流动，因此开合速度比金属屑检波器更快。但是真空二极管只能分拣信号。 德弗雷斯特发明的真空三极管是一种能放大信号的电子器件（真空三极管中间的栅极可以调控单向电流）。1906年，他在灯丝和金属片之间插入了一根形如木栅栏的铜丝（称为栅极），想看看会发生什么。当他给铜丝栅极施加负电压时，阴极和阳极之间的电流就减少了；反之电流就增加了。接着，他在铜丝栅极上施加一个微小的交替变化的电压，结果竟在阴极和阳极之间得到了一个变化幅度更大的交变电流：信号放大了！ 1946年，美国宾夕法尼亚大学用真空管研制出第一台，电子数字积分计算机（ENIAC），它使用了17468多个真空管，占地170多平方米，每秒能做5000次运算。这里的真空管不是用来放大信号，而是作为一个开关。如果在铜丝栅极上施加一个很大的负电压，就能使电流中断。只需把开关和中断当作0和1两种状态，那么它就能表示二进制，从而帮助一台电子计算机进行计算。 但真空管具有速度慢、发热严重、故障率高、体积大等弊端，无法适应信息时代的要求，而解决这些难题需要全新的物质——半导体。
白炽灯的发光效率低下，致使大量电能变成热量白白地消耗掉了。热量来自白炽灯发出的看不见的红外光，只有很小一部分能量转化为用于照明的可见光。灯丝的温度越高，可见光的比例越大，效率越高。普朗克知道，电灯发出的光是一种电磁波辐射，为了彻底解决灯泡发光效率低下的问题，他开始研究背后的辐射机制。……但经过6年的探索之后，他仍然一无所获，他断言经典物理学不能为这道难题提供答案。……不得已，他于1900年的秋天采取了一次“绝望的行动”。在推导数学公式时，他不在将辐射当作连续的，而是分成一份一分的“量子”。这样一来，理论公式奇迹般的与实验相符了。他虽然没有解决灯泡的发光效率问题，但无意中带来了量子物理学的萌芽。（如今，白炽灯已经被高能效的LED灯淘汰，而LED灯是用半导体实现的，这背后的基础仍然是量子物理学。）他这次小心翼翼的尝试打开了潘多拉魔盒的一条缝，掀开了一系列“量子化”的运动序幕。 1905年爱因斯坦把光当成一种离散的粒子……1912年27岁的波尔发现了电子的轨道不是连续变化的，光波能表现出粒子属性……1925年戴维森验证了德布罗意的猜想：电子也是一种波。这表明，构成世界大厦的粒子不仅是不连续的，还成了“如梦幻泡影”的波。以波尔为首的哥本哈根学派提出一个说法：物质波是粒子在空间中出现可能的概率波。换句话说，粒子什么也不是，只是一个概率。这一说法是对经典物理学的彻底背叛。 直到德国物理学家海森堡提出了“不确定性原理”（我们总能发现所有的思想实验都有这么一个性质：当我们能确定粒子的位置时，却不能确定它的速度；反之，当我们能确定粒子的速度时，却不能确定其位置。）和奥地利物理学家薛定谔提出的“波动方程”（薛定谔大胆地将粒子当作一个波的包络，而不是一个实体。有了薛定谔方程，人们就能计算出诸如粒子的能量态、电子在各层轨道出现的概率等，它能将一切物理和化学属性都解释得清清楚楚，包括物质的导电性。），人们才对原子和电子有了深入的认识。 如果说经典物理学就像一幅古典派画作，每一根睫毛、每一片树叶都画的精细而逼真，那么，现代物理学则像一幅印象派画作，日出、帆船和睡莲都能蒙上了一层模糊的“滤镜“。 1929年，在全球经济大萧条开始之前，量子物理学的“大厦”基本竣工。而在全球经济大萧条之后，量子物理学将揭开半导体内部导电的秘密。
半导体最大的特性就是它的导电能力，远远小于导体，又远远大于绝缘体。很多半导体都是晶体，内部有着规则的原子点阵 。那么，半导体内部是如何导电的呢？以前人们用经典物理学解释，但都失败了。进入1930年后，威尔逊等人以量子物理学为工具，对半导体的导电机制展开了一番新的研究。 威尔逊发现的“能带理论”解释了半导体中电子的不确定性以及由此产生的电流，从而为半导体二极管和晶体管的发明奠定了基础：半导体里的电子都堵在一条叫“价带”的路上无法自由移动并形成电流。所以并不是电子越多就越容易导电，而是要有足够多的空位，才便于电子移动和导电。只有一种情况能让半导体导电，那就是让堵在价带中的电子跃迁上叫做“导带”的高架桥，因为那里畅通无阻。尽管电子跃迁上导带的概率非常低，但仍有可能性（依据是量子力学中电子的不确定性），而且电子的总体数目非常庞大，总是有一些电子可以成功跃迁上“导带”这座高架桥，从而使半导体内产生电流！另一方面，“价带”上一部分电子跃迁走后，也有了空位，所以“价带”上的电子（确切说是空位）也因此可以移动起来，从而形成电流。 于是，人们可以利用量子力学的这点小伎俩，充当起“交警”和“建筑师”：在适当的位置截断车流，使其堵塞；在适当的位置将高架桥放低，让电子轻松跃迁，保持车流畅通。 
跟其它开关比起来，半导体的开关速度极快，可达每秒数千亿次。因此，半导体适合做高速开关，实现芯片中的0和1的逻辑运算。 1933年，德国纳粹上台。在德国国会纵火案之后，爱因斯坦等一众科学家不得不“跃迁”至美国。这种单向的人才流动给美国这个新兴国家带了了宝贵的智力资源，也使欧洲的半导体研究此后长时间停止不前。 |
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2 创造性失败，晶体管诞生 需求是发明之母，这一点在战时表现得更为突出。二战时期，为了改进雷达的接收性能，半导体整流器的研究开始加速，同时带动了硅和锗等半导体的研究。晶体管的发明靠的不是几个人的单打独斗，这其中既有许多偶然的因素，也有科学家的智慧引导。当然也与贝尔实验室将不同学科的科学家和工程师凝聚在一起密切相关，正式他们彼此激发互助，才共同攻关完成了这一壮举。
第二次世界大战期间，美国政府在雷达项目上的投入高达30亿美元，这比原子弹项目的20亿美元还多。贝尔实验室也积极的参与进来，研究部主管凯利加强了实验室在雷达中的磁控管和硅半导体整流器方面的研究。凯利1917年就加入了贝尔实验室，在真空管研究方面有着丰富的经验。但她已预感到，真空管技术已经走到尽头，未来将属于半导体固态器件。 贝尔实验室简介：其前身是美国电话电报公司的一个研究中心，1925年成立为一个独立的研究开发机构。它成立的初衷是为美国电话电报公司提供所需的通信技术。靠着占据垄断地位的母公司雄厚的资金支持，贝尔实验室得以将目标放的更长远。在随后的几十年中，这里诞生了晶体管、太阳能光伏电池、激光、CCD图像传感器、香农信息论、NUIX操作系统和C语言等发明。 贝尔实验室的奥尔在1940年偶然间发现了硅中的PN结（硅加热融化，两种杂质因为密度不同而自然分开，重的下沉，轻的上浮，各自占据了硅棒的两端。带正电荷的一端叫Positive型硅，带负电荷的一端叫Negative型硅，从而产生了一个天然的能量斜坡），能够作为单向整流器，为发明半导体放大器打下基础。
二战后，贝尔实验室成立了由肖克利、巴丁、布拉顿组成的半导体晶体管攻关小组。肖克利提出了场效应晶体管，但因遇到技术困难没能实现。巴丁和布拉顿转而用两根金属尖触碰半导体，于1947年发明了第一个点接触晶体管。两人随后申请的发明专利没有署肖利克的名字。 实用的点接触晶体管的命名“transistor”由来：新发明的固态放大器将一个小输入电流转变为一个大输入电流，相当于改变（trans）了端口的电阻（resister）大小，合起来就是“transistor”。
结型晶体管：背后的原理依然是通过调控单向电流来实现放大。有三层结构的晶体管，从左至右依次是N型、P型、N型半导体，就像一个三明治。这一次，肖克利彻底抛弃了以前的执念（用外部电场来控制单向电流），而是改为用晶体管内部的那一层来控制电流，这样就避免半导体表面容易惹出麻烦的固定电子，这点比巴丁的点接触晶体管更高明。1948年1月23日，他突然意识到少数载流子的作用：要在左侧发射极重度掺杂，基极必须很窄，让它们尽快通过，以使少数载流子能够依靠数量优势迅速扩散到基极。结型晶体管的发明专利肖利克只署了一个人的名字。早在发明点接触晶体管时，肖利克与其他两人的关系就有了微妙的变化，一道裂痕已经刻在三人心里。 结型晶体管成为广泛应用的晶体管。 1956年11月1日宣布：巴丁、肖克利、布拉顿因为“对半导体的研究和对晶体管效应的发现”获得了诺贝尔物理学奖。 |
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3 接连不断的出走，硅在扩散 |
汪波著。以下是对原著的重点内容摘录或总结
0.1 推荐序，因特尔中国研究院院长宋继强：
（1）对于这种技术门槛很高的领域，人们通常难以理解为什么在半导体技术方面保持领先那么困难，为什么摩尔定律屡次被断言将要“终结”却仍然有效。
（2）由于芯片发展历史的时间跨度很大，本书的内容中对芯片技术近年的发展涉及较少，殷切期望作者未来能有续篇问世，带领读者继续体验数字化转型时代芯片创新的艰辛与喜悦。
0.2 前沿
（1）芯片的发展史是一部创新史和叛逆史。这也是本书想要表达的主题。创新是对主流的偏离、对现有规则的破坏，它刚开始可能非常蹩脚、很难融入主流。几乎没有一项重大创新一出现就广受欢迎。虽然人们口口声声地说要创新，但人们更喜欢的是改良，它的效果立竿见影，因而大受欢迎。……应对芯片危机，我们需要原始创新，而唯一的方法是诚挚，实事求是地面对现实和历史。
（2）本书从半导体的起步之处量子力学开始讲起，它演化出了半导体物理学，进而催生了半导体器件，这些器件由简到繁，像一颗发芽的种子，演化出了双极晶体管、MOS场效应晶体管（如今芯片中99%的晶体管都是MOS场效应晶体管）、光电二极管，并由此集成构造出了模拟芯片（通信和传感器芯片等）、数字芯片（CPU、存储器、现场可编程门阵列芯片等）和光电芯片等。
（3）本文开头所说的那次聚餐聊天，我并没有责怪我的学生不记得这些发明人。实际上，这些发明人的名字被历史有意无意地忽略了，而现今的历史需要对他们作出相应的补偿。如果我们能从历史的尘埃中重新体会到他们的精神核心：不盲从，不畏惧，从否定中汲取力量，那么我们就始终和这些开拓者的灵魂在一起。
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