半导体材料变迁：从锗到硅奠定当代集成电路基础，后硅时代Si+新材料蓄势待发

半导体产业中的核心材料变迁，是科技史上一个很有趣的演化过程。被称为半导体教父的张忠谋博士，最先加入TI，从事的便是数年间的锗材料的晶体管研发工作。后来才升任为硅片部的总经理。而后升任职于集成电路部门的掌门人。

从锗到硅，从晶体管到集成电路——半导体产业真正进入“芯片时代”

在早期的半导体发展中，锗确实是主角。20世纪40年代末，贝尔实验室的科学家们发明了晶体管的时候，用的就是锗。为什么选锗呢？因为它当时是个好选择：锗的电子迁移率高，能让电流传导更顺畅，而且提炼技术也相对成熟。1947年，约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿在一个点接触式锗器件上实现了晶体管效应，世界上第一个点接触晶体管（point-contact transistor）诞生，用的是锗材料，那一刻可以说开启了现代电子革命。

但锗的问题很快就暴露出来了。首先，它对温度很敏感，高温下性能会下降，这对需要稳定运行的电子设备来说是个麻烦。它具有低带隙（0.67 电子伏特，而硅为 1.12 eV），这是将电子从原子中敲入导带所需的能量。因此，由这种银色元件制成的晶体管具有更高的漏电流：随着温度的升高，它们微妙平衡的结点实际上被淹没在成群结的自由电子海洋中。高于约 75 °C，锗晶体管完全停止工作。其次，锗资源稀缺，成本也高。而硅呢，虽然一开始提炼纯度不够，但随着技术进步，到1950年代，科学家发现硅不仅更稳定、耐高温，而且地球上硅的储量丰富得多——毕竟沙子主要成分就是二氧化硅。于是，硅开始崭露头角。1954年，德州仪器（TI）的工程师戈登·蒂尔用硅做出了第一个商用晶体管，从那以后，硅逐渐取代锗，成为半导体产业的主流材料。

再说晶体管和集成电路的故事。晶体管刚发明时，简直是个奇迹。它比真空管小得多、耗电少、寿命长，彻底改变了电子设备的面貌。但单个晶体管的功能毕竟有限，当时电子设备依赖大量分立元件（如晶体管、电容、电阻），通过手工焊接连接，不仅笨重且容易出错。比如，1950年代的计算机，虽然比真空管时代进步了，但仍然像个庞然大物。如何将多个元件集成到一个单元，成为行业内的迫切需求。

到了1958年，事情有了转机。德州仪器的杰克·基尔比和飞兆的罗伯特·诺伊斯几乎同时提出了“集成电路”（IC）的概念。

那是1958年夏天，TI的工程师杰克·基尔比（Jack Kilby）提出了一个大胆的想法：将多个电子元件集成在一块半导体材料上，而不是分开制造再连接。基尔比当时刚加入TI不久，公司正值暑期休假，他独自在实验室工作。9月12日，他用锗片成功演示了第一个集成电路原型——一个简单的振荡器。这块电路包含晶体管、电容和电阻，全部刻在一小块锗上，用细金线连接。他的设计虽然粗糙（比如需要外部连线），但证明了集成多个功能的可能性。TI在1959年2月6日为这项发明申请了专利（美国专利号3,138,743）。

几乎与此同时，Fairchild Semiconductor 的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）也在思考类似的问题。诺伊斯是 Fairchild Semiconductor 的联合创始人之一，该公司由“八叛逆”于1957年创立，专注于硅技术。1958年下半年，诺伊斯提出了一种改进方案：不仅将元件集成在一块硅片上，还通过平面工艺（Planar Process）用光刻技术制作连接线路，避免了基尔比设计中手工连线的不足。1959年1月23日，诺伊斯在笔记本中记录了这一想法，7月30日，Fairchild Semiconductor 正式提交专利申请（美国专利号2,981,877）。诺伊斯的平面工艺后来成为现代集成电路制造的基础。

·TI（基尔比）：1958年9月12日首次演示，1959年2月6日申请专利。

·Fairchild Semiconductor（诺伊斯）：1958年下半年构思，1959年7月30日申请专利。

尽管基尔比的演示比诺伊斯的专利申请早了几个月，但两人的工作是独立完成的，且各有侧重：基尔比验证了集成概念，诺伊斯完善了制造工艺。

TI和 Fairchild Semiconductor 的发明引发了长达十年的专利纠纷。1960年代，双方公司对簿公堂，最终在1969年达成和解，同意交叉授权专利。学术界和工业界后来达成共识：基尔比和诺伊斯共同奠定了集成电路的基础。2000年，基尔比因发明集成电路获诺贝尔物理学奖（诺伊斯已于1990年去世，无法共同获奖），但诺伊斯的贡献也被广泛认可。

所谓英雄所见略同，德州仪器（TI）与 Fairchild Semiconductor 在1958年分别但几乎同时发明集成电路（IC）的历史。这段历史确实是电子技术发展中的关键时刻，充满了创新与竞争。

集成电路的厉害之处在于，它把晶体管、电阻、电容这些零件微缩并集成在一小块芯片上，不但省空间，还提高了可靠性。从此，电子设备的复杂度可以指数级增长，而体积却越来越小。

为什么晶体管会被集成电路取代呢？简单来说，需求推动了技术进步。1960年代，航天、军工、计算机这些领域需要更强大、更小型化的电子系统，单个晶体管拼凑的电路已经跟不上节奏了。集成电路的出现完美解决了这个问题。到了1971年，英特尔推出第一款微处理器4004，里面有2300个晶体管集成在一块芯片上，这标志着电子产业正式进入“芯片时代”。

所以，这段故事的核心就是技术迭代和实用性的博弈。锗输给了硅，是因为硅更稳定、更便宜；晶体管让位给集成电路，是因为后者能满足人类对计算能力和小型化的更高追求。1950 年代中期是从锗到硅的关键变化。事实证明，半导体材料的这种转变对于该设备作为当今几乎所有集成电路的基本构建块的光明未来至关重要。因为锗，简单地说，根本无法胜任这项任务。这一路走来，每一步都是科学家和工程师们在材料、工艺和设计上的突破，才有了今天我们手里的智能手机和电脑。

后硅时代，“硅+新材料”的混合模式，开启集成电路产业新篇章

硅之后的继任者，这个问题很有前瞻性！目前来看，硅依然是半导体产业的主宰，集成电路的核心材料仍然离不开它。不过，随着技术逼近物理极限，科学家和工程师们已经在探索“后硅时代”的可能性。接下来，让我们给你讲讲硅的现状和可能的继任者，聊聊这个故事的下一章。

硅的极限在哪里？

硅的统治地位已经持续了几十年，尤其是在摩尔定律（Moore’s Law）的推动下，晶体管数量每18-24个月翻倍，芯片性能不断提升。但现在，硅基技术开始遇到瓶颈。晶体管的尺寸已经缩小到几纳米级别（比如2025年的主流工艺可能是2纳米甚至更小），这么小的尺度下，量子效应和热效应变得难以忽视。电子会“漏”出去，功耗和散热问题也越来越严重。简单来说，硅的物理特性限制了它继续微缩的空间，成本和复杂度也在飙升。所以，大家开始寻找替代者。

那么可能的继任者有哪些呢？目前有几个候选材料和方向在半导体领域崭露头角，虽然它们还没完全取代硅，但已经展现出潜力：

碳基材料：石墨烯和碳纳米管石墨烯是单层碳原子构成的材料，导电性极强，电子迁移率比硅高得多，几乎是“梦幻材料”。2004年它被发现后，引发了无数研究热情。碳纳米管则是石墨烯卷成的管状结构，也有类似的优势。它们的潜力在于，能做出比硅更小、更快的晶体管，同时散热更好。但问题在于，石墨烯缺乏自然的“带隙”（bandgap），这意味着它很难像硅一样开关电流，做成逻辑电路有难度。科学家们正在尝试通过化学改性或与其他材料结合来解决这个问题。如果成功，石墨烯或碳纳米管可能在未来十年内崭露头角，尤其是在高性能计算领域。

化合物半导体：砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）砷化镓比硅有更高的电子迁移率，早就用在高速器件上，比如射频芯片和光电子设备（激光器、LED）。氮化镓则因耐高温和高电压特性，在功率电子领域（如电动车、充电器）越来越受欢迎。不过，这些材料的制造成本比硅高，工艺也不如硅成熟，所以它们更多是“补位选手”，在特定领域挑战硅，而不是全面取代。

二维材料：过渡金属二硫化物（TMDs）像二硫化钼（MoS₂）这样的二维材料，是继石墨烯之后的新宠。它们比硅薄得多，有天然带隙，适合做超小型晶体管。研究表明，这种材料在1纳米以下的尺度仍然能保持性能，非常适合未来的极限微缩芯片。挑战在于，生产工艺还不成熟，大规模量产的难度很大。

量子计算和光子芯片除了材料替换，还有人跳出传统晶体管的框架，探索全新技术。比如量子计算用量子比特（qubits）取代传统晶体管，谷歌和IBM在这方面已经取得进展；光子芯片则用光信号代替电信号，传输速度更快，能耗更低。这些技术如果成熟，可能直接颠覆硅基体系，而不是简单替换材料。

短期内（未来10-20年），硅不会轻易退位。产业已经围绕硅建立了完整的生态链，从晶圆厂到设计工具，投资巨大。下一阶段可能是“硅+新材料”的混合模式，比如在硅基芯片上集成砷化镓或二维材料，逐步过渡。长期来看，石墨烯和二维材料可能是最有希望的继任者，因为它们能延续微缩趋势，同时提升性能。但如果量子计算或光子技术率先突破，那就可能是另一场革命，不仅仅是材料的更替，而是计算方式的彻底改变。

2025年的今天，硅依然占据主导，但新材料的研发如火如荼。比如，台积电和英特尔都在实验2纳米以下的工艺，尝试引入新材料；IBM已经展示了基于碳纳米管的晶体管原型；我国也在氮化镓和二维材料上有不少突破。可以说，后硅时代的种子已经种下，但谁能接棒，还得看技术成熟度和市场接受度。

所以，硅的继任者还没完全浮出水面，但这场接力赛已经开始了。