从偶然发现到晶体管
1833年，迈克尔·法拉第记录到硫化银温度越高越导电，与金属正好相反。1874年，德国物理学家卡尔·费迪南德·布劳恩发现某些金属硫化物只让电流单向通过，这种整流效应后来被用于早期收音机的矿石检波器。其原因直到量子力学出现才得以解释：1931年艾伦·威尔逊用能带理论阐明了半导体。1947年12月，贝尔实验室的约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿用锗做出第一只晶体管；次年威廉·肖克利提出结型晶体管理论，三人共获1956年诺贝尔物理学奖。1958—1959年，杰克·基尔比和罗伯特·诺伊斯发明了集成电路；1959年，韩裔科学家姜大元与穆罕默德·阿塔拉造出如今芯片的基本器件MOSFET。中国半导体先驱黄昆与谢希德等人在20世纪50年代奠定了国内半导体物理教育和研究的基础。
能带隙与掺杂
电子要导电必须跃迁到“导带”，所需跨越的能量间隔就是能带隙。金属没有能带隙，绝缘体的能带隙太宽，而半导体的较窄，受热或受光照时部分电子就能跃过去。在硅中掺入少量磷，得到电子富余的n型；掺入硼，则得到带“空穴”的p型。两者结合成PN结，就是只允许电流单向流过的二极管，也是把光变成电的太阳能电池（1954年贝尔实验室）、把电变成光的LED和半导体激光器的基础。20世纪90年代中村修二等人研制出的蓝光LED使白光LED照明成为可能，获2014年诺贝尔奖。
| 类别 | 导电性 | 例子 |
|---|---|---|
| 导体 | 极易导电 | 铜、银、铝 |
| 半导体 | 可以调控 | 硅、锗、砷化镓 |
| 绝缘体 | 几乎不导电 | 玻璃、橡胶、金刚石 |
摩尔定律与半导体产业
1965年，戈登·摩尔预测芯片上的元件数量每年翻一番（1975年修正为每两年），“摩尔定律”此后半个世纪都是业界的目标。如今最先进的芯片在指甲盖大小的面积上集成数百亿个晶体管。半导体可分为存储信息的存储芯片（DRAM、NAND闪存）和负责运算与控制的逻辑芯片（CPU、GPU、图像传感器）。韩国自1983年三星研制出64Kb DRAM后成为存储强国，台湾的台积电开创了只代工、不设计的晶圆代工模式。随着线宽缩小到几纳米，极紫外（EUV）光刻机和稀有材料的供应链成为国家战略问题，从废旧电子产品中回收金属的城市矿山也受到关注。
常见问题
- 为什么半导体材料最常用硅？
- 硅储量丰富（可从沙子中提炼），能带隙合适，而且表面容易形成高质量的二氧化硅氧化层，非常适合制造MOSFET。
- 摩尔定律已经失效了吗？
- 2010年代以来晶体管微缩的速度明显放缓。业界转而依靠三维堆叠、先进封装和新材料来继续提升性能。
来源核查日期：2026-10-26
参考文献
- Braun, F. (1874). Über die Stromleitung durch Schwefelmetalle. Annalen der Physik und Chemie, 229(12), 556–563.
- Wilson, A. H. (1931). The theory of electronic semi-conductors. Proceedings of the Royal Society A, 133(822), 458–491.
- Bardeen, J., & Brattain, W. H. (1948). The transistor, a semi-conductor triode. Physical Review, 74(2), 230–231.
- Shockley, W. (1949). The theory of p-n junctions in semiconductors and p-n junction transistors. Bell System Technical Journal, 28(3), 435–489.
- Chapin, D. M., Fuller, C. S., & Pearson, G. L. (1954). A new silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power. Journal of Applied Physics, 25(5), 676–677.
- Kilby, J. S. (1964). Miniaturized electronic circuits. U.S. Patent No. 3,138,743.
- Moore, G. E. (1965). Cramming more components onto integrated circuits. Electronics, 38(8), 114–117.
- Nakamura, S., Mukai, T., & Senoh, M. (1994). Candela-class high-brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure blue-light-emitting diodes. Applied Physics Letters, 64(13), 1687–1689.
- Sze, S. M., & Ng, K. K. (2007). Physics of Semiconductor Devices (3rd ed.). Hoboken, NJ: Wiley.