半导体简史

名家推荐：陈左宁院士、冯登国院士、高通全球副总裁侯明娟、海康威视总裁胡扬忠力荐。

内容权威：本书作者在业内浸淫20余载，拥有大量实践经验及查证资料，每章内容都经由不同专家多次审阅，前后审阅专家30余位，以尽可能保证内容的准确性。

全景式解读：本书涵盖基础、应用及制造三条主线，并通过科学家故事、半导体企业的生存发展为读者多视角呈现半导体产业的发展历程。

本书沿半导体全产业链的发展历程，分基础、应用与制造三条主线展开。其中，基础线主要覆盖与半导体材料相关的量子力学、凝聚态物理与光学的一些常识。应用线从晶体管与集成电路的起源开始，逐步过渡到半导体存储与通信领域。制造线以集成电路为主展开，并介绍了相应的半导体材料与设备。
三条主线涉及了大量与半导体产业相关的历史。笔者希望能够沿着历史的足迹，与读者一道在浮光掠影中领略半导体产业之全貌。
本书大部分内容以人物与公司传记为主，适用于绝大多数对半导体产业感兴趣的读者；部分内容涉及少许与半导体产业相关的材料理论，主要为有志于深入了解半导体产业的求职者或从业人员准备，多数读者可以将这些内容略去，并不会影响阅读的连续性。

目录　
专家推荐
卷首语
致谢
第1章  半导体的起源／1
1.1  电与磁／3
1.2  能检波的石头／13
1.3  神奇的“电灯”／17
1.4  量子世界／23
1.5  元素的奥秘／33
1.6  晶体的结构／42
1.7  自由的电子／49
参考文献／61
第2章  晶体管来了／62
2.1  接触的奥秘／63
2.2  长的一个月／72
2.3  肖克利的救赎／82
2.4  硅谷之父／91
2.5  集成电路的诞生／99
2.6  “八叛逆”与平面工艺／104
2.7  强大的近邻／112
2.8  逆风飞扬／122
参考文献／132
第3章  计算世界／133
3.1  绝代双骄／134
3.2  大型机时代／146
3.3  Wintel帝国／157
3.4  Tick-Tock／167
3.5  ARM的崛起／174
3.6  谈设计／184
3.7  应用时代／191
参考文献／198
第4章  制造为王／199
4.1  万能的生态／202
4.2  从硅到芯片／211
4.3  摩尔定律／215
4.4  蓝色巨人／227
4.5  加减法设备／235
4.6  制作之旅／242
4.7  奔腾的芯／254
4.8  筚路蓝缕／268
参考文献／276
第5章  生命之光／278
5.1  光学起源／280
5.2  从光到电／287
5.3  从电到光／293
5.4  蓝光之魅／303
5.5  最亮的光／310
5.6  阿贝成像／315
5.7  群峦之巅／327
5.8  中国之路／340
参考文献／347

卷首语　

在地壳中，含量最多的元素是氧与硅。人类离不开氧也离不开硅。约330万年前，古人使用硅的原始形态石块制作工具，那段时期被称为石器时代；大约6000年以前，人类逐渐抛弃了石块，进入了青铜与铁器时代。
在渐别石器时代长达万年的时光中，人类与半导体相关的历史不到两百年。在第一个百年之中，留下记载的只是几个跳动着的与半导体有少许关联的事迹。
19世纪，人类观测到了半导体的热敏特性、光伏效应、光电导效应与整流这四大特性，但这些发现没有引发足够的关注。随后几十年，半导体生活在证明与证伪的争辩之中，许多科学家认为半导体不过是在绝缘体中掺杂了一些导体杂质罢了。
20世纪的前半叶是一个科技爆发的时代，量子力学与相对论在这段时间先后出现，人类加速了向微观世界及宏观宇宙的探索步伐。与相对论相比，也许量子力学更为复杂，提出相对论的爱因斯坦，曾经说过他思考量子力学的时间百倍于相对论。
量子力学是微观世界的通行法则，起源于对黑体辐射现象的解释，在科学家不断质疑原子组成结构与电子运行轨迹的过程中抵达高潮。能带理论在此期间逐步成型，使世界上的物质被划分为导体、绝缘体与半导体。借助能带理论，科学家合理解释了半导体材料的四大特性，此后不再有人继续质疑半导体材料的存在。
半导体是一种介于导体与绝缘体之间的材料，是电子信息产业的基石。半导体材料的第一个应用是无线通信领域中使用的二极管。在二战期间，半导体材料的提纯工艺日趋成熟。战后不久，晶体管问世，硅结束了长达万年的等待，作为半导体材料而不是石块被人类重新发现。
晶体管的问世是人类科技史册中的一个重大里程碑，此后半导体材料具有了更加广阔的发展空间。潘多拉魔盒被再次打开，这一次人类收获了希望。在晶体管诞生后不足百年的时光里，人类取得的科技成就几乎超越了之前几百万年的总和。
半导体的出现使万生巨变。此后的地球，比过去“小”许多；此后的时间，比过去“快”许多；此后的人类，比过去谦卑许多。
半导体产业的理论基石是量子力学。量子力学不仅是一门知识，也是一种哲学思考。对量子力学多一些了解，会多一种看待这个世界的方式。正是因为这个原因，书中将尝试勾勒出量子力学的轮廓。
量子力学之外，半导体还与多门交叉学科相关，共同组成了复杂的半导体产业链。在这个链条中，上游是半导体设备、材料与工具软件；下游是半导体的应用，包括计算、存储、通信与其他领域；半导体制造在之间承上启下。
本书在介绍半导体全产业链的过程中逐步展开，由三条主线构成，分别为基础线、应用线与制造线。
基础线集中出现在第1章与第5章中，并贯穿全书，覆盖了量子力学、凝聚态物理与光学的一些常识。这两章的部分内容，枯燥无味并不易读，简短的篇幅也很难将这些内容完全覆盖。笔者书写这段文字时亦感枯燥无味，也不止一次想删除掉这些内容，却最终将其完整保留，因为这些枯燥与无味正是半导体产业的立基之石。
应用线的主体由第2章与第3章构成。
第2章介绍半导体的起源，以及晶体管、集成电路诞生的那段波澜壮阔。半导体产业从通信领域开始，并逐步过渡到存储领域，最终在计算领域蓬勃兴起，在整合存储与通信领域的过程中，建立了电子信息产业的基石。
第3章介绍计算世界。电子信息时代始于计算，精彩之处亦在于计算。电子信息产业的三次浪潮，大型机、PC与智能手机时代与计算领域密切相关。对通信、存储与计算领域的描述组成了本书的应用线。
制造线的部分内容出现在第2章与第5章，主体集中在第4章，围绕半导体的制造，特别是集成电路的制造展开。半导体产业的上游，即设备与材料在第2、4与5章均有介绍，是制造线的基础，也是核心。
本书第5章即最后一章介绍“光”。半导体材料与“光”直接相关的产业，包括光伏与显示领域。半导体制作离不开“光”，光刻机是最重要的半导体设备。该章在最后简述了中国半导体产业的过去、现在与未来，这段历程由希望谱写，是中国半导体人生命中的光。
在三条主线中，基础线相对晦涩，主要为18～25岁的年轻人准备，是理解半导体材料科学的关键。多数读者可以将这些内容略去，并不会影响阅读的连续性。
笔者希望更多的年长一代，愿意对这些内容多一些了解。这一代人中的绝大多数可能很难在基础科学上做出更大的突破，但是可以为年轻一代提供创新的土壤，与支撑创新所必须要有的宽容。
三大主线涉及了大量与半导体产业相关的历史。回顾这段历史不仅代表要了解过去，也是在近距离观察着今天与未来。一切历史都是当代史，相同的历史在不同的年代，有着不同的解读。历史是一面镜子，在镜中我们寻找未来。
书中出生于19世纪中叶之前的著名人物，与绝大多数诺贝尔奖获得者使用了中文名称。这里不仅是为了表示尊敬，更是因为这些人，以及与对这些人的称呼，在中文世界中已经有着约定俗成的表述。
笔者从几年之前开始准备这本书籍，期间写写停停。在此期间，重温了从电磁学开始的许多课程，在告别学生时代几十年后，对这些课程也有了一些新的体会。书籍的名称经过反复推敲，最后确定为《半导体简史》。
这本书籍我们写了又改，改了又写，每次修改必能发现新的错误，完稿后广邀好友审阅，心中依然惴惴不安，为此附上下方的公众号“南郭比特”，我们将在此处维护本书，也盼望更多的读者能够纠正本书的错误，以惠及来者。

改革开放以来，几代人历经40余年的努力，使中国在电子制造业中，获得了令世人震惊的成就。作为电子制造业基石的半导体产业，在今天已万众瞩目。
本书以半导体产业发展史为主线，从最为基础的材料科学开始，并逐步过渡至半导体材料的主要应用与制造业，从多个视角对半导体全产业链进行观察、分析与思考，生动形象地介绍了半导体产业发展中的重大事件，并从独特的视角对这些事件进行解读，是一本半导体产业界与非产业界人士，快速了解半导体全貌的书籍。
—陈左宁（中国工程院院士）

这部《半导体简史》，给我们全面呈现了人类科技史上最为精彩绚丽的篇章，将给中国科技界、产业界，带来巨大的震撼和深深的思考。正如作者在书中写到：还原历史的真实，是人类构筑未来的基石。正视发达国家特别是美国对半导体产业的贡献，恰是中国摆脱这个产业落后的起点。
—胡扬忠（海康威视总裁）

如果以晶体管的出现作为半导体产业诞生的标志，那么这个产业已经经历了70多年的时间。在这段时间里，半导体产业从无到有，最终形成了庞大的产业链。
本书较为完整地呈现了这段历史中重要的人物与里程碑事件，介绍了半导体产业最上游的设备与材料、中游的制造业以及下游的应用，勾勒出半导体产业全景，并以史鉴今对半导体产业进行了较为深度的思考，是一本值得一读的科普读物。
—冯登国（中国科学院院士）

受到作者信任，有机会先读到这本书，反复看了几遍之后感觉津津有味。
对于半导体产业发展历程感兴趣的读者，通过阅读此书可以较为完整地了解半导体产业的宏观层面；此外，希望对这一产业进行科学理性分析的专业人士，也能够从本书中找到不同发展阶段的相关细节。本书既可作为工具书日常查阅，亦可作为历史参考书籍以通读解惑。
作者具有在业内浸淫20余载的第一手观察体验，更大量从史籍和第三方著作当中查证。本书是科学家的精神、工程师的严谨务实和历史学家之徐徐铺陈的完美融合。我向大家推荐作者的这本倾心之作。
—侯明娟（高通全球副总裁）