來源：?魔鐵的世界(ID：jiangpeiyu0916)丨作者：蔣培宇

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生活在現代社會，沒有誰能離得開半導體芯片。

半導體芯片真的是上得了廳堂，超級計算機離不開它；也下得了廚房，電飯煲、冰箱里也有它。社會越發展，對半導體芯片的胃口越大，我們國家不僅是石油進口大國，還是芯片進口大國，而且每年進口芯片花的錢超過了石油。

由于芯片太常見了，所以大家往往對它熟視無睹，以為用硅做芯片是理所當然的事。實際上，在半導體材料的大家庭中，除了硅，還有鍺、砷化鎵、磷化鎵，以及銅、鐵、錳等金屬的氧化物，它們都可以用作半導體，理論上都可以用來制作芯片。

鍺，曾經的明星。

在半導體芯片發展的早期，硅只能當配角，鍺才是真正的明星：

第一個晶體管是鍺晶體管；

第一個集成電路（芯片）是鍺芯片；

有一段時間，晶體管市場的主流是鍺，硅晶體管銷量不及它的零頭。

鍺金屬

硅是如何打敗鍺成功上位的呢？

在故事開始前，有必要厘清晶體管和半導體芯片的關系。

晶體管有二極管和三極管兩種，是半導體芯片的基礎零件，晶體管數量的多少是衡量芯片集成度的一個重要指標，也是一個性能指標，晶體管越多，芯片性能越強大，用于最新iPad Pro的A12X集成了100億個晶體管，而世界上第一個可以運行的CPU芯片包含的晶體管數量只有2250個，是英特爾1971年1月推出的4004，售價200美元。兩款芯片的性能差距大家自行心算。

但芯片內不止有晶體管，內部還包含了電感、電容、電阻、布線，它們組成特定功能的電路，并有我們熟悉的名字：CPU（微處理器）、GPU（圖像處理器）、NPU（人工智能處理器）、內存等等。

說過晶體管和半導體芯片的關系，接著說硅的上位史。

鍺晶體管與諾貝爾獎

二戰爆發前的某一天，美國電報電話公司下屬的貝爾實驗室的兩名科學家：沃爾特.布拉頓和約翰.巴丁閑來無事參加了一場講座。講座上展示了一小塊平板硅玻璃，大家都知道它是一種絕緣體，所以玻璃兩端被接上導線并通上電流后，演示用的燈泡沒有亮，感覺平淡無奇。但轉折來了，演示者接著將導線移到平板的中心，這里被添加了磷等雜質，結果讓布拉頓和巴丁幾乎跳起來：燈泡亮了，絕緣體硅玻璃變成了導體！

兩位科學家仿佛看到一扇奇特的大門在徐徐打開，回去后立即向實驗室打報告要求研究這種新的材料。

貝爾實驗室讓另一名科學家威廉.肖克利和巴丁、布拉頓組成半導體研究小組，三人在1947年研制出了晶體管。

晶體管由肖克利（中）、巴丁和布拉頓集體發明

世界上第一個晶體管，圖中金屬箭頭下黃圈處的金屬片就是鍺金屬

這是世界上第一個晶體管，樣子非常簡陋粗糙：一個小小的金屬箭頭，插在一塊平板鍺上。雖然丑丑的，但它能工作，而且一出生就是一副要把真空管送進墳墓的樣子：速度比真空管更快，體積比真空管更小，耗電和發熱也更少。

因為發明晶體管，肖克利、布拉頓和巴丁分享了1956年諾貝爾物理學獎。

科學大師創業失敗

晶體管發明的故事并不是大團圓結局，肖克利不久就離開了貝爾實驗室。辭職的原因據說是，肖克利不滿意貝爾實驗室將發明晶體管的主要功勞放到布拉頓和巴丁頭上。真正的原因，其實是肖克利看到了晶體管未來的巨大商業價值，科學大師想要名利雙收，于是出走貝爾實驗室，創業生產硅晶體管。

肖克利參與發明的不是鍺晶體管么，為什么創業卻選擇做自己毫無經驗的硅晶體管？而且，當時貝爾實驗室對外授權晶體管專利后，各晶體管生產商都是生產鍺晶體管。肖克利逆潮流而動做硅晶體管簡直給人匪夷所思的感覺。

威廉.肖克利在諾貝爾獎慶功會上，右三坐著端酒杯者為肖克利

必須承認，肖克利在貝爾實驗室是出了名的脾氣臭、為人傲慢，眼光卻非常銳利，他認為硅終將代替鍺成為晶體管的未來。理由很簡單，硅是地殼中第二豐富的元素，占地殼總質量的26.4%，而鍺是一種稀有元素，在地殼中的含量僅為一百萬分之七，鍺礦分布還非常分散。由于鍺非常稀少，也是人類較晚發現的元素，1885年才被德國化學家文克勒發現。

含量少，分布不集中，導致鍺的原材料成本居高不下。鍺貴，則鍺晶體管也便宜不到哪兒去，意味著很難大規模生產。不能大規模生產，還賺什么大錢？

鍺還有一個短板，就是難以提煉到足夠的純度，純度不夠就意味著晶體管性能低下。

鍺所有的先天不足都是硅的先天優勢，只是當時還沒有人成功制作出硅晶體管，空白就意味著巨大的市場機會。

從后來的發展趨勢看，肖克利比拿著望遠鏡還看得準。可惜的是，科學大師沒有成功轉型為企業家，肖克利本人沒有完成硅替代鍺的宏愿，他創業失敗，后半生的舞臺是斯坦福大學的講臺。

實現硅替代鍺的，是背叛他的八個下屬。

押寶硅晶體管

肖克利離開貝爾實驗室后，在斯坦福大學附近創辦了肖克利半導體實驗室，由于管理屬于白癡水平，經常用測謊儀測試博士屬下們的忠誠度，不到兩年，八名骨干被逼的集體跳槽，公司一個硅晶體管也沒能生產出來。肖克利氣得大罵他們是“八個叛徒”。

這八個人被肖克利罵做八叛徒，其中有英特爾、AMD的創始人

“八個叛徒”創辦了仙童半導體公司。當時，鍺晶體管是晶體管市場的絕對主流，1957年美國制造了近3000萬個晶體管，硅晶體管僅有100萬個，鍺晶體管有近2900萬個。德州儀器憑借20%的市場份額，成為晶體管市場的巨頭。

市場上最大的客戶美國政府和軍方，他們想將芯片大量運用在火箭和導彈上，增大寶貴的發射負荷，提高控制終端的可靠性。但晶體管也將面臨高溫、劇烈振動導致的惡劣工作環境。

在溫度方面，鍺首先敗下陣來：鍺晶體管能耐受的溫度只有80℃，而軍方的要求是在200℃也能穩定運行。能扛住這個溫度的，也只有硅晶體管了。

于是，八個叛徒們將寶押在了硅晶體管上，還押上了八個人的未來：如果硅晶體管順利投產并大賣，每個人總價值500美元的股票將大幅升值。當然，如果賭輸了，八個叛徒就只能給別人打工了。

2年升值500倍

成立半年后，仙童公司發明了制造擴散型硅晶體管的“平面處理工藝”，具體流程是這樣的：

首先，手工畫出布局圖，圖有時大到能占一面墻，然后把圖拍攝下來，縮小成一張小小的透光片，透光片往往有兩道三張，每張代表一層電路；

其次，在切片打磨光滑的硅片上涂上一層感光材料，用紫外線/激光將透光片上的電路圖案投射到硅片上；

第三，透光片上黑暗部分的區域和線條會在硅片上留下未曝光的圖案，用酸液清洗這些沒有曝光的圖案，然后加入半導體雜質（擴散技術），或者鍍上金屬導體；

第四，對每張透光片重復上面三個步驟，可以在硅晶圓上得到大批晶體管，由女工在顯微鏡下切割后連接上導線，然后封裝、測試、出售。

仙童公司的“平面處理工藝流程”把硅晶體管的制造變得像印書一樣簡單、高效，價格還非常便宜。

仙童半導體公司

隨著仙童公司的擴散型硅晶體管大量上市，晶體管開始告別鍺時代，仙童公司實現6個月盈利，從名不見經傳的小公司，躍升為可以和德州儀器這樣的巨頭肩并肩的半導體新貴。八個叛徒手中總值500美元的股票賣出了25萬美元的高價，升值500倍，用時2年。其中的戈登.摩爾（大名鼎鼎的摩爾定律提出者）用這筆錢還清了買房欠下的債務。

鍺晶體管的終結者

但真正完全終結鍺晶體管的，還是集成電路（俗稱芯片）的發明。德州儀器和仙童公司同時發明了集成電路，但技術路線不同，德州儀器用的是鍺晶片，仙童公司一如既往地用硅晶片。

兩家公司在集成電路的專利上打了多年官司，后來和解，專利局承認兩家公司同時擁有集成電路發明專利。但仙童由于工藝先進，成為集成電路的標準工藝并沿用至今，公司的兩位主管戈登.摩爾和羅伯特.諾伊斯后來辭職，創辦了英特爾公司。

英特爾創始人羅伯特.諾伊斯（左）和戈登.摩爾曾是“八叛徒”成員

在創業生長的道路上，英特爾公司先后擊敗德州儀器、摩托羅拉、IBM等巨頭，成為半導體存儲（后拱手讓給日本人）和CPU領域王者。英特爾是力推硅芯片的，隨著英特爾成為行業霸主，硅也徹底終結鍺，成為芯片的基礎材料，硅芯片就等于半導體芯片。

鍺雖然退出芯片領域，但仍然是一種重要的半導體材料，在半導體元器件、傳感器、太陽能電池等領域，重要而獨特的地位依然不可替代。

可以說，硅打敗鍺的上位過程，既有兩種材料物理、化學性質差異的原因，更是科技后生晚輩成功挑戰行業巨頭的結果，同時確立了硅谷高科技企業的游戲規則：技術路線走對了就是高回報，反之就是高風險。

END

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