半导体所 杨雄风 

　　1956年我从江西老家考入清华大学无线电系半导体专业学习，1962年毕业分配到中国科学院半导体研究所，一直从事半导体科研工作，直至退休。可谓一生与半导体结下了不解之缘。 

　　半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的固体，由于其特殊的能带结构而具有与众不同的电学特性。自1947年12月美国贝尔电话实验室的肖克莱、巴丁、布拉顿小组发明实用的点接触型鍺晶体管以来，半导体获得了广泛深入的研究，得到了巨大的研究成就和应用成果。作为半导体学科，其内容极为丰富，包含半导体物理、半导体材料、半导体器件、半导体电路及应用系统等。半导体物理是半导体学科的理论基础。半导体材料则是半导体学科的物质基础。没有半导体材料，就不可能有半导体器件和半导体电路，更无从谈到半导体的应用系统。 

　　最初采用的半导体材料是鍺（Ge），其室温下的禁带宽度为0.66电子伏特。但鍺是一种稀有金属，全世界已经探明的鍺储量不足1万吨，资源极为稀缺。一般是从铅锌冶炼或煤燃烧过程中以副产品的形式得到其粗料，还要经过各种化学处理和物理提纯，才能得到高纯鍺，最后才能用直拉方法制成鍺单晶来制作鍺半导体器件等，其成本因而非常高，价格非常昂贵。而且，由于鍺的禁带宽度小，鍺系双极结型晶体管（BJT）的实际使用温度低，仅为65 。肖克莱等人发明的晶体管就是用锗制作的。由于上述原因，在上世纪50年代，鍺就逐渐被硅所取代了。硅的室温禁带宽度为1.12电子伏特，硅系双极结型晶体管的实际使用温度可达110 。 

　　更主要的是硅资源丰富。硅是地球上含量第二多的元素，在地壳中主要以二氧化硅和硅酸盐的形式存在，可以说是取之不尽用之不竭的。结晶态硅材料的制备方法通常是先将硅石(SiO₂)在电炉中高温还原为冶金级硅(纯度为95%～99%)，然后用化学方法将其变为硅的卤化物或氢化物，经过提纯，再制备成纯度很高的硅多晶。再用直拉法或区熔法将硅多晶制备成高纯度和高完整性的硅单晶。世界上直拉硅单晶和区熔硅单晶的用量比约为9：1。直拉硅单晶主要用于制作晶体管和集成电路；区熔硅单晶主要用于制作大功率的电力电子元件；纯度极高的区熔硅单晶还用于制作射线探测器。硅单晶多年来一直围绕着尺寸、纯度、物理性质的均匀性、结构完整性及降低成本这些问题而进行研究与开发。为了生产特大规模集成电路，已经成功地发展了整套的完美硅单晶制备技术，硅片的直径已经达到12英寸（30厘米），径向参数均匀，微缺陷极少。 

　　目前广泛使用的半导体材料主要有单晶硅、多晶硅、各种化合物半导体如砷化镓、磷化铟、铟镓砷、铟镓砷磷等等的单晶或单晶薄膜。根据不同的用途，这些半导体材料分别被用来制作各种半导体分立器件、大规模超大规模集成电路、半导体照明器件、半导体光电子器件、太阳电池等，使通信技术、计算技术、控制技术以及新能源技术等发生了革命性的进步，对人类社会产生了深刻的影响。 

　　其中，用半导体器件和电路等构成的各种先进的军用装备，极大地壮大了我们国家的军事实力，保障了国家安全，使全国人民享受到了100多年来难得的太平盛世。 

　　与此同时，半导体也为普通百姓提供了各种各样花样翻新让人眼花缭乱的家用电器，包括各种家用通信器具、个人计算机、音像器材等，使普通百姓过上了越来越美好幸福的生活。 

　　下面仅以半导体收音机和数码相机为例，来回顾一下半导体如何改变着我们的生活，如何不断提高着我们生活的幸福指数。 

　　记得早在上世纪50年代中期，在北京酒仙桥就建成了北京电子管厂（774厂），其中设有半导体车间，开始生产半导体材料和晶体管。1958年，我国第一部国产半导体收音机研制成功。1965年，半导体收音机的产量超过了电子管收音机的产量。北京已经有半导体收音机上市出售，但价格高得惊人，动辄几百元一台。 

　　在上世纪60年代，即使是笨重的真空电子管收音机，也还属于一种奢侈品，远没有普及到一般百姓家。更别说半导体收音机了。老家的亲戚知道我在半导体所工作，以为半导体所就是做半导体收音机的，其实这是一大谬误。他们来信托我组装半导体收音机。为此，我在王府井北京市百货大楼买了一只北京774厂生产的 401高频鍺晶体管，就花去了6.18元。包括其它各种元器件，组装一台半导体收音机的总成本就达到了54元。当时我的月工资是56元。 

　　老家的亲戚拉家带口到公园游玩，开启我邮寄去的半导体收音机，听着广播，欣赏着音乐，引得过往游人羡慕不已，自己也觉得美不可言。其实，这个收音机只是一种最初级的所谓六管半导体收音机，主要组成部分是6只分立的鍺半导体晶体管，按照电路图用金属导线与其它元器件手工焊接而成。它的新奇之处是可以放在口袋里便携外出，只需2个5号电池就能够工作，比之此前的由6只真空电子管组成的收音机，确实是先进得多。首先，半导体收音机体积小重量轻，小巧精致，可以随心所欲在户外使用；其次，半导体收音机的供电由电池解决，无须用电源线来接入220的市电。试想，扛着笨重的电子管收音机，拖着长长的电源线，在街上边走边听广播欣赏音乐，还哪里会有什么雅兴，有什么幸福感觉呢？ 

　　上面提到的这种收音机只是一种最初级的由分立晶体管组成的半导体收音机，现在早已无人问津，被淘汰出局了。经历过1980年左右的收音机市场发展高峰期，1982年，出现了集成电路收音机以及硅锗晶体管混合线路和音频输出OTL电路的收音机，各项指标进一步得到了提高。目前市场上出售的所谓微型音响，功能更多，除了收音，还能够播放TF卡或U盘上存储的总量以GB计的节目。 

　　毕竟，半导体收音机应该是第一种进入普通百姓家，令人享受幸福生活的半导体家用电器。 

　　另一种由于采用半导体而受到深刻影响的百姓常用的产品是照相机。 

　　照相机主要由镜头、快门、感光成像材料组成。自1839年8月法国画家达盖尔发明可携式木箱照相机以来，1888年美国柯达公司生产出了一种新型感光材料（柔软并可卷绕的“胶卷”），并发明了世界上第一台安装胶卷的可携式方箱照相机，1935年柯达公司又推出了彩色胶卷，1948年美国波拉（Polaroid）公司推出了一种可在拍照后几十秒钟内直接取出一张照片的“即时拍”照相机。经过各个生产厂家的不断改进，至上世纪末，这种传统胶卷式照相机已经发展到了相当高的境界，市场有售各种高端专业级照相机，主要用于科研、工业、军事、天文领域。各种廉价的家用照相机也大规模地进入了普通百姓家庭。 

　　但这种传统胶卷式照相机的缺点是非常明显的。首先，除了波拉（Polaroid）公司的“即时拍”照相机能够即时取出照片（但图像质量很差且不提供底片）之外，其它的传统照相机拍照后都必须在整个胶卷拍摄完毕之后，取出胶卷来进行显影、定影，再进行印相或放大，才能得到最终照片。拍照时基本上无法确定照片是否令人满意，因为拍摄者当时看不到结果。这是极为不便和耗费时间的。而且，大量使用显影液和定影液对环境也是极为不利的。传统照相机终于走到了必须脱胎换骨的时候了。1976年，美国柯达公司发明了数码相机。数码相机的出现标志着传统照相机的一次彻底变革。 

　　数码相机的基本结构与传统胶卷式照相机相同，但它确实称得上是脱胎换骨了。除了它的外形为了迎合用户的怀旧心理而大多被设计成与传统胶卷式照相机几乎完全相同之外，最为关键的是，传统照相机中最重要的感光成像元件（胶卷）已经被废弃，而改用了由半导体器件CCD（电荷耦合器件）或CMOS（互补金属氧化物半导体）或Foveon X3组成的点阵式传感器。这种传感器能够将光学影像转换成数码信号，从而实现照片的存储和显示等功能。此外，数码相机还增加设置了显示屏，能够用来取景和直接观察拍摄到的图像，如果对拍摄的照片不满意，马上可以重新拍摄，这可以消除人们的很多遗憾；还增加了SD卡之类的存储卡，能够存储大量图像，可以回家后直接在计算机上显示和处理。其它增加的半导体控制电路使数码相机的功能更加完善。这一切都极大地改进了照相机的使用性能。 

　　自从1969年10月17日，美国贝尔研究所的鲍尔和史密斯宣布发明“CCD”（电荷耦合元件）以来，这种感光元件在经过进一步完善之后，终于得到了广泛应用，其最新改良版不断涌现，像素数早已跨越了千万像素，而成像效果也已臻于完美。在军用和民用方面都得到了广泛的应用。 

　　作为普通百姓用户，在选购数码相机的过程中，无须追求太高的像素，如果你不是为了做北京盘古七星级酒店外墙上那样超大的广告屏，而只是为了在计算机上播放或用于一般目的，则800万像素足矣，超过的像素无疑都是浪费，并且可能在照片的后续应用和处理中带来计算机“内存不足”之类的不必要麻烦。 

　　经过30多年的不断发展，数码相机产业已经日臻成熟，相机的外观设计更趋完美，操作功能日渐强大，并且随着制造成本的进一步降低，数码相机的价格不断降低，已经大量进入普通百姓家庭。人们使用数码相机，无须顾忌浪费昂贵的胶卷，可以尽情地将祖国的大好河山、故乡的小河流水、以及亲友团聚时的喜悦，轻而易举地摄入到镜头中，留作美好幸福的永久纪念。这是半导体对国家和人民的又一贡献。 

　　半导体的奉献远不止上面所说的收音机和照相机。半导体在军事方面也有很多重要应用，在航天领域也起着重要作用，在民用方面的贡献还有手机之类的通信器具、集成电路、个人计算机、各种影像器材、半导体照明器件、太阳电池等不一而足，几乎渗透到了国计民生的方方面面。这些在以后有机会时再详细描述吧。