摘要：1833年，法拉第发现了半导体电阻效应。所谓电阻效应，就是半导体的电阻率，会随着温度上升而减小。这一点很反常，因为导体电阻率，一般和温度是正相关的，温度越高电阻率越高。

1833年，法拉第发现了半导体电阻效应。所谓电阻效应，就是半导体的电阻率，会随着温度上升而减小。这一点很反常，因为导体电阻率，一般和温度是正相关的，温度越高电阻率越高。

电阻效应是半导体四大特征里，发现的第一个特征。至于为什么有这个特征，涉及能带理论，咱后面再讲。至于金属导体，电阻率随温度上升，高中物理应该讲过，是温度越高原子振动越剧烈，电子通行难度越大。但要彻底理解这个问题，其实也需要能带理论。

除了电阻效应，法拉第还有一大贡献是1831年发现了电磁感应。并以此为基础，发明了发电机。所谓电磁感应，就是闭合电路一部分导体，做切割磁感线运动时，电路中会产生电流。通过电磁感应，就可以将机械能转化为电能。

第一次工业革命，蒸汽机革命，是将化学能转化为机械能。第二次工业革命，电气化革命，是将机械能为主的能量，转化为电能，并对电能进行利用。这两次工业革命脉络非常清晰，就是化学能到机械能，再到电能。现在火电、核电，也是先烧锅炉，把化学能、原子能先转化为机械能，再把机械能转化为电能。水电、风电，是直接把机械能转化为电能。只有光伏摆脱了机械能，可以直接从光到电。

在电能利用上，主要是四类材料，导体、绝缘体、半导体和超导体。最早得到利用的，是导体和绝缘体，整个第二次工业革命，就是导体和绝缘体在发力。而第三次工业革命，信息化革命，主要是在半导体上下功夫。所谓半导体，简单理解就是电阻率变动范围很宽，介于导体和绝缘体之间。现在就剩超导还没大规模商用，有可能成为第四次工业革命末期，和第五次工业革命的主要动力。

半导体第二大特征，是1839年贝克雷尔发现的光生伏特效应。他十九岁在父亲实验室工作时，发现用光照射电极可以产生电压。当光线用蓝光或紫外光，电极用氯化银或溴化银涂层时，效果最佳。但要解释这个现象，也需要能带理论和光量子理论。这两个理论都是20世纪才建立的，咱也暂且不讲。

1873年，史密斯发现光电导效应，他发现硒在光照下电阻会变小。至此半导体四大特征还剩最后一项，1874年布劳恩发现的整流效应。它是说半导体的电导率与所加电场方向有关，在一个方向加电压时材料是导电的，但电极方向调转过来就不导电了。

搞集成电路的，一般比较关注整流效应。搞光伏的，一般比较关注光生伏特效应。大家也可以看到，半导体四大特征里跟光伏相关的有两个，而在历史上光伏也确实发展的比芯片早。但对光伏发展贡献最大的，其实不是贝克雷尔的光生伏特效应，而是史密斯的光电导效应。

1876年，英国国王学院亚当斯（Adams）和他的学生（Day）对硒的光电导效应做了系统研究。他们认为该现象可以用内部电压解释，也就是光照让硒棒内部产生了电压，表现的好像是电导率增加了。两人通过实验，首次在全固态系统中，用光照产生了电流。

1883年，美国发明家弗里茨继续对硒进行光照研究，发明出第一个硒薄膜太阳能电池。据说他还把这个电池装到了屋顶上，但是转化效率不高，只有不到1%。其实从后视镜看，现在主流的光伏是硅电池，这也注定了早期的硒电池，不可能取得太大成果。或者反过来说，是科学家在硒电池上没取得太大成就，才逐步转向硅电池。当然也有可能，是光伏跟芯片都要用硅，所以硅基技术发展比较迅速。

1887年，德国物理学家赫兹在研究紫外线光电导性时，意外发现了光电效应。光电效应就是用光照射金属会激发出电子的现象。赫兹发现了光电效应，但要解释这一现象，得等后来的爱因斯坦。爱因斯坦因为在光电效应上的贡献，获得了1921年诺贝尔奖。

同一年摩泽尔还研究了染料敏化效应在光伏电池上的应用。这是一个过于超前的研究，注定进展缓慢。实际上，它是第三代光伏电池路线之一。光伏电池的三代划分，是被誉为太阳能之父的马丁·格林在2001年一篇文章里做的。后面讲中国太阳能发展时，会讲到无锡尚德的施正荣，他是马丁·格林的学生。

现在主流的晶硅太阳能是第一代太阳能。第二代是薄膜太阳能，其中有一些是含硒材料。前面咱说过1883年，弗里茨的硒薄膜太阳能电池，可算是薄膜电池先驱。第三代太阳能电池，目前关注度比较高的是钙钛矿。然后就是1887年开创这个，染料敏化电池。

接下来时间来到1904年，这一年弗莱明发明了真空二极管，与芯片相关的技术终于有了动静。它这个原理非常简单，就是在灯泡里面围绕灯丝F放一个金属圆筒C。金属圆筒不与灯丝接触。然后给灯丝F接电源负极，给金属圆筒C接电源正极。灯丝的材料外形，比较容易向外发射电子，那么在负电极排斥下，同时在金属圆筒正电吸引下，灯丝发射的电子就会向金属圆筒移动。虽然金属圆筒与灯丝没有直接接触，但因为电子穿过真空到达了金属圆筒，电路里就会产生电流。

但如果反过来，给灯丝F接正极，给金属圆筒C接负极，则正极对灯丝电子有吸引作用，金属圆筒上的负电对电子有排斥作用，此时电子无法从灯丝移动到金属圆筒，电路呈断开状态。从这里可以看出，弗莱明其实是用导体，模拟了半导体的整流效应。利用该装置，可以将交流电变为直流电。

弗莱明当时为马可尼工作。马可尼就是那个发明无线电报的马可尼。弗莱明这个真空二极管，主要是给马可尼无线电报，做检波器使用。弗莱明这个真空二极管虽然跟半导体没啥关系，但通过交换电极已经可以控制电路通断，模拟出 01 信号。而在两年之后，1906年，福雷斯特又在弗莱明基础上搞出了真空三极管，它比真空二极管多了个栅极，不仅能检波，还能放大信号。不过真空二极管、真空三极管都是电子管，而电子管在绝大多数领域很快就被后来崛起的晶体管取代。苏联也因为押注电子管，在计算机上逐渐掉队。

在真空三极管和真空二极管之间，还有一个1905年爱因斯坦的光电效应论文。光在与物质相互作用时，能量集中在一些叫做光量子的粒子上，其实就是光子。之前咱讲光生伏特效应和光电导效应，本质上也是光量子作用。

爱因斯坦发表光电效应理论之后，1906年福雷斯特发明了真空三极管。1916年，波兰科学家柴可拉斯基，发明了单晶硅拉晶提纯工艺。这种方法又称直拉法，是现在仍在使用的主流单晶制造工艺。现在光伏电池和芯片都要用到这种技术。考虑当时晶硅太阳能和硅基集成电路，还完全没有发展，不得不说这一前置工艺，有点儿过于超前了。当然也是因为有了这一前置工艺，后面晶硅太阳能和硅基集成电路，才有发展的可能。

拉晶的原料，一般是多晶硅或单晶硅废料边角料，然后高温熔化至熔融状态。之后蘸一粒籽晶，把籽晶放进熔融硅料中，单晶硅就会围绕籽晶生长。一边生长一边旋转一边往上提拉，就生产出一根硅棒。硅棒切片就变成了硅片，硅片就可以印刷电路了。当然在光刻之前，还需要抛光等工艺。

1940年，奥尔研究雷达探测器上硅的应用时发现了PN结，后来又搞出了硅基太阳能电池，转化效率大约1%。奥尔在贝尔实验室工作，之后贝尔实验室就在半导体上开挂了。

1946年，第一台电子计算机埃尼阿克在宾夕法尼亚大学投运，该计算机使用1万7千多个电子管，功率174千瓦，占地170平方米，重量30吨。电子管前面讲过，真空二极管是1904年发明的，真空三极管是1906年发明的。这距第一台电子计算机诞生，已经过了40年。

但关于埃尼阿克是不是第一台计算机其实存在争议，在它之前还有一个ABC，但是ABC不支持编程，所以严格说法应该是“埃尼阿克是第一台可编程的通用计算机”。在埃尼阿克核心6人研发团队中，还有一个华人科学家朱传榘。但当时报道这个新闻的纽约时报，似乎并未提及这一点。

埃尼阿克是电子管计算机，但紧接着第二年，1946年，贝尔实验室就发明了点接触式晶体管。这是1945年，贝尔实验室启动的一个项目。组长是肖克利，组员包括巴丁和布拉顿。1947年12月，巴丁和布拉顿发明了点接触式晶体管，样子看上去非常狂放。这个晶体管用的不是硅，而是锗。跟硅同族，但是在下一周期。

本来这个半导体小组是肖克利领导的，但贝尔实验室律师以晶体管诞生时肖克利不在场为由，没在专利上写肖克利的名字。估计是肖克利提供了想法，但没有参与具体工作。

得知这个消息后肖克利非常生气，于是又独自一人在一个月后发明了三明治结构的双极性结式晶体管。它是两层N型半导体夹着一层P型半导体，但还不是后来的NPN型晶体管，真正的NPN晶体管要到1950年才发明出来。肖克利一个人独享了三明治晶体管专利，后来1956年巴丁、布拉顿、肖克利三人因晶体管分享了当年的诺贝尔物理学奖。

搞出点接触式晶体管的巴丁因为与肖克利不和，1951年离开贝尔实验室，去了伊利诺伊大学香槟分校。1972年又因为BCS理论，再次获得诺贝尔物理奖，成为唯一一个两次获诺贝尔物理学奖的人。居里夫人也拿过两次诺贝尔奖，但一次是物理奖，一次是化学奖。拿两次物理奖的，目前就只有巴丁一个。

贝尔实验室可追溯到亚历山大·贝尔，就是发明电话那个贝尔。贝尔1847年生于苏格兰，这一年是道光二十七年，同一年出生的还有爱迪生。1870年贝尔随父母移民加拿大，1871年又移民美国。1876年拿到电话专利，1877年成立贝尔电话公司，1882年加入美国国籍。1885年，贝尔电话公司重组成立AT&T。1925年，AT&T收购西方电气研发部并与自身的工程部合并，成立了贝尔实验室。此时亚历山大·贝尔，已于1922年去世。

从创立过程看，贝尔实验室倒也没有多了不起的背景。但截至2010年，贝尔实验室一共出了11位诺贝尔奖得主。并且UNIX系统、C语言这些耳熟能详的技术，都是贝尔实验室搞出来的。AT&T在电话领域基本处于垄断地位，贝尔实验室1925年成立时，就是世界上规模最大的研发机构。工作人员3600人，其中技术人员2000人，1925年研发经费就有1200万美元。到1980年，人员增加至2万4千人，经费达到16.3亿。

以上差不多就是半导体从发现到壮大的整个过程，在这个过程中贝尔实验室起到了不可磨灭的作用。但1995年，AT&T因垄断被拆分，之后以贝尔实验室为主体成立了朗讯科技。这是贝尔实验室的顶峰，因为失去垄断地位后钱来的就不容易了，据说科研人员也要背KPI了。

来源：科工洞洞拐一点号