中国光伏20年:江湖风云录(三)

2020年12月31日 9:11 5061次浏览 来源:   分类: 光伏   作者:

套用每年回顾行业的习惯用语:对于多晶硅-光伏行业来说,“2020年是不平凡的一年”。无意间回想才发现,这“不平凡”,我竟已写了10年,从专职光伏记者,到投资多晶硅、光伏产业的工程公司职工,10年来,多晶硅-光伏行业始终牵动着我的思绪。这“不平凡”,绝非简单地写作习惯和照搬套用,而是从本世纪初至今,中国的多晶硅-光伏行业在短短20年时间里,风云变幻、沉浮轮转,已极尽浓缩了其他行业几十年甚至上百年的发展轨迹。

“一切向前走,不能忘记走过的路;走得再远、走到再光辉的未来,也不能忘记走过的过去,不能忘记为什么出发。”值此“十三五”收官、“十四五”开局的关键节点,站在“两个一百年”的交汇关口,回望行业的发展历程,希望能在兴替得失间以笔承史,为下一段路途积蓄稳健前行的力量。

以为纪念、以为祝愿。

4.贝尔实验室贝尔实验室这座曾经的科学殿堂,对全球科技至少有过6次重大技术创新研究:有线和无线电话、微波通信、晶体管和微电子、激光和光通信、数字通信和互联网、软件和光网络。半导体和微电子已成为全球信息通信时代、数字时代最核心基础技术。在20世纪40年代,贝尔实验室拥有近6000名员工,其中科学家2000人,这组数据在随后的时代仍然呈现出持续的几何级增长态势。

贝尔实验室早在二战期间就开展了对半导体材料的研究,并发现掺有某种极微量杂质的半导体材料的整流性能比电子管效果更好。1945年,二战的硝烟刚刚消散,物理学博士肖克利,数学和物理博士巴丁,化学和物理博士布拉顿就组成小组回到贝尔实验室开展了“场效应”半导体管的实验工作,并构思了一种放大器和开关。可惜基于二战期间锗和硅的相关研制技术,这个“场效应放大器”并没有按预期工作,因此,三人就将注意力集中到锗和硅这两种半导体材料上,并认识到半导体的表面缺陷有着非常不利的影响,必须找到“钝化”表面(消除缺陷)的方法。当年12月15日,在布拉顿的精湛技术操作下,由锗块、金线、弹簧、电池等组成的装置制作完成,他们观察到,随着锗块上两个接触点的靠近而产生的电压放大作用。布拉顿曾在实验笔记中写下:“在锗表面上,用点接触方法加上两个电极,间隔400微米。此时1.3伏的直流电压被放大了15倍。”在这个实验数据下面,肖克利作为小组组长和见证人,签上了名字。装置在几个月之后被贝尔实验室称为“晶体管(Transistor)”。这是全球第一个“锗”晶体管,还是全球第一个半导体点接触式晶体管。

贝尔实验室名誉总裁Ian M. Ross在一篇IEEE文章中这样评论晶体管的发明:“晶体管的发明,使我们的社会发生了伟大的变革,这场变革的深远意义不亚于钢铁的发现、蒸汽机的发明以及英国工业革命。”在贝尔实验室里,有一块铭牌记录着这样一段话:“1947年11月12日,就在这里,贝尔实验室,约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿完成了历史上最伟大的发明——晶体管……”

为什么叫晶体管?这是贝尔实验室另一位科学家皮尔斯的建议,他认为,这个新发明的小东西和真空管有些类似,电子真空管主要的电气特征是“跨导(Transconductance)”,而这个新发明的小东西具有的电气特征是“跨阻(Transresistance)”,所以建议名为“Transsistor(晶体管)”。所谓“跨阻”,指的是输出端电压变化与输入端电流变化的比值(单位是欧姆),反映了输入对输出的影响能力。1948年6月30日,贝尔实验室在纽约召开产品发布会,公开了晶体管的发明,并预测“它在电子和电子通信方面可能有深远的意义”。第二天,《纽约时报》的“无线电通讯”专栏悄然出现了“晶体管”一词:“昨天,一种叫做晶体管的设备在贝尔实验室首次得到了公开展示,它在通常使用真空管的无线电设备中有几项应用。”这句话就是全球新闻界第一次关于“晶体管”的正式介绍。

虽然今天看来,半导体晶体管是一个不太起眼的发明,但其诞生却极大地改变了全球电子信息产业的进程,奠定了现代信息社会的基础。一个小小的金属箭头,插在一块平板锗上,一问世就把真空管送进了坟墓。随后,贝尔实验室对外授权晶体管专利,直接带动了锗的流行。直到1950年代末,锗都是晶体管和其他半导体器件的主要材料。

据报道,在晶体管专利申请时,还有一个有趣的细节:尽管晶体管的诞生是基于肖克利的场效应理论,肖克利也直接参与了整个研究过程,但是这一晶体三极管的专利申请书上却没有他的名字。专利代理律师给出的理由是,肖克利的场效应理论与一项1925年生效的结型MOS专利冲突,另外,进行那项决定晶体管诞生的实验时,肖克利本人并不在场。这一结果自然让肖克利非常生气。“天才的愤怒就是用更高的成就来回应此事。”1948年1月,肖克利提出了更先进的结型晶体管构想。1950年,第一只结型晶体管(PN结晶体管)问世,同年11月,肖克利发表了论述半导体器件原理的著作《半导体中的电子和空穴》,从理论上详细阐述了结型晶体管的原理。这也为他在1956年获得诺贝尔物理学奖奠定了基础。从严格意义上讲,结型晶体管才是现代晶体管的始祖,从真正意义上开启了全球半导体技术的发展方向。

1956年,因为母亲年事已高,“天才”肖克利辞去了贝尔实验室的工作回到故乡——加州圣克拉拉谷,也就是后来的“硅谷”。在此之前,旧金山最为人熟知的矿藏是金子。而肖克利的到来,为这里开启了第二次淘金热,资本和人才疯狂涌入的目标,则是新时代“白色的金子”——半导体硅。肖克利的选择令人疑惑:他凭借世界上第一个锗晶体管获得了诺贝尔物理奖,却要在离开贝尔实验室后利用硅制造场效应放大装置。

据报道,他之所以坚持要用硅来替代锗制作晶体管,一方面,是考虑到成本因素。锗是稀有元素,在地壳中含量极少且分布分散,因此价格十分高昂,难以大规模生产。而硅作为地壳中第二丰富的元素,在成本上的优势显而易见。另一方面,当时晶体管最大的需求主要集中在火箭、导弹等航空、军事领域,对于晶体管耐高温、抗剧烈震动的要求很高。相比200摄氏度的要求,锗晶体管只有80摄氏度的耐受温度,显然不符合条件。此外,当时高纯硅的工业提炼技术已经相对成熟,而锗很难提炼到足够的纯度,晶体管的性能难免受到制约。就这样,在科学家朋友贝克曼(ph值测定法的发明人)的资助下,肖克利创办了“肖克利半导体实验室”。但是,收获至高学术荣誉以后,肖克利疏于公司业务发展,导致一直没有成功产生。

责任编辑:周大伟

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