惊险的一跃，半导体的奇迹

1931年初，位于德国东部的莱比锡城的雪还没有融化，莱比锡大学的理论物理研究所来了一位25岁的英国小伙艾伦·赫里斯·威尔逊（Alan Herries Wilson），他跟随海森堡学习固体物理学，研究半导体的性质。

半导体最大的特性就是它的导电能力，远远小于导体（如铜线），又远远大于绝缘体（如橡胶）。这种特殊的性质引起了科学家的好奇。此外，很多半导体都是晶体，内部有着规则的原子点阵。但麻烦的是，原子的间距很小，无法直接用显微镜观察到晶体内部的原子点阵结构。

在威尔逊到来之前，这里的一位博士生布洛赫（Bloch）正在对晶体展开研究。得益于德国物理学家马克斯·劳厄（Max Laue）和英国物理学家布拉格父子(11)发明的用X射线衍射研究晶体的方法，布洛赫间接窥视到晶体里漂亮规整的结构，并将其带入薛定谔方程，从而初步揭开了半导体晶体的性质（见图1-8）。

那么，半导体内部是如何导电的呢？以前人们尝试用经典物理学来解释，但都失败了(12)。进入20世纪30年代初，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。

一般人可能会认为，电子越多，越容易导电，电流也越大。但真的如此吗？威尔逊心里打了个问号。

如果把半导体中的电流比作公路上的车流，车少时车流量很小，那么车越多，车流量就越大吗？恰恰相反，车流量会因为车多拥堵而下降到零。

威尔逊发现，半导体里的电子都堵在了一条叫作“价带”的路上，无法自由移动并形成电流。他领悟到了关键的结论：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作“导带”的高架桥，因为那里畅通无阻。可是，这比让平底锅里的爆米花蹦到10层楼高还要困难。

不过，在量子物理学起作用的微观世界里，这却是可能的。电子的不确定性又一次发挥了作用。尽管电子跃迁上导带的概率非常低，但仍有可能性，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(13)！

于是，人们就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。海森堡听了威尔逊的理论后兴奋不已，马上叫来布洛赫一起讨论。但布洛赫却连连摇头，说“大错特错”。但经过一个多星期的思考，布洛赫还是理解并接受了威尔逊的理论。16

有了威尔逊提出的“能带理论”，人们就能理解为什么半导体最适合做开关。因为绝缘体的“高架桥”太高了，使得电子跃上去的概率大大减小，所以无法导电；而金属里的“高架桥”又太低，电子很容易就能跃迁上去，轻松导电，但无法让电子停下来，所以很难阻断；只有半导体的“高架桥”不高不低，当外部电压发生变化，半导体内部轻盈的电荷就会跟着发生变化，电荷瞬间重新分布，半导体就能迅速地切换到关断状态（变成绝缘体）或者开通状态（变成导体），如图1-9所示。

跟其他开关比起来，半导体的开关速度极快。如果用手按下墙上的开关，每秒最多按3～4次。而继电器每秒可以切换100次，真空管可以达到每秒数百万次，半导体器件更是可以达到每秒数千亿次。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。

威尔逊提出“能带理论”之时，欧洲正受到经济大萧条的影响，物价飞涨。柏林和汉堡之间的公路两旁挤满了无家可归的人。经济大萧条对德国的冲击尤其大，也为第二次世界大战埋下了隐患。

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”到大西洋彼岸。这种单向的人才流动给美国这个新兴国家带来了宝贵的智力资源，也使欧洲的半导体研究此后长时间停滞不前。

在20世纪20年代，美国物理学家约翰·斯莱特（John Slater）访问欧洲的剑桥大学和哥本哈根，跟玻尔、海森堡和泡利等人一起工作。之后，斯莱特回到美国的麻省理工学院，这也意味着他将量子物理学的研究火种带到了美国。斯莱特于1932年在麻省理工学院招到了一位年轻的博士生威廉·肖克利（William Shockley）。

接下来，半导体研究会朝哪个方向发展？肖克利又会将半导体的研究带往何方？

本章核心要点

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。

要想了解量子物理学，先要从一只电灯泡开始讲起。

1882年，爱迪生观察到灯泡内壁被熏黑，从而偶然发现了真空灯泡中存在着单向电流。直到1897年，汤姆逊发现了原子中的粒子“电子”后，人们才理解了这种真空中的单向电流。在此基础上，1904年，弗莱明利用真空灯泡中的单向电流效应发明了真空二极管。1906年，德福雷斯特在二极管的阴极和阳极之间插入了栅极，发明了真空三极管，它既能放大信号，又能做开关，在收音机、长途电话乃至电子计算机上得到了广泛应用。

但是真空管具有速度慢、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一种全新的物质——半导体。

对半导体导电特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的认识，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。

此后，爱因斯坦、玻尔等进一步丰富了量子概念，直到海森堡提出了“不确定性原理”和薛定谔提出了“波动方程”，人们才对原子和电子有了深入的认识。在此基础上，威尔逊于1931年提出了“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。