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文|史這樣滴
編輯|史這樣滴
前言
半導體的發明是電子學史上最重要的成就之一，20世紀中期開發的半導體徹底改變了這個領域，為數字時代鋪平了道路，并改變了我們的生活、通信和計算方式，在半導體發明之前，電子裝置嚴重依賴真空管，這些真空管體積大、耗電，而且往往不可靠。
對更小、更可靠、更節能的器件的需求推動了對更高效、多功能替代産品的追求，尤其是在電信、計算和消費電子應用中，這種對創新的追求最終導緻了半導體的發展，半導體的發明深深植根于半導體實體原理。
那麼它的發明原理是什麼？
發明原理
半導體是電導率介于導體和絕緣體之間的材料，某些材料的半導體特性的發現，特别是鍺和矽，為半導體的發展奠定了基礎，了解半導體中電子和空穴的行為對半導體運作的概念化至關重要。
第一個成功的半導體設計，被稱為雙極結型半導體(BJT)，于1947年在貝爾實驗室由約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉姆·肖克利提出，BJT由三層半導體組成，即發射極、基極和集電極，形成兩個pn結。
通過向基極-發射極結施加小電流，可以在集電極和發射極之間流過更大的電流，進而有效地放大信号，BJT的操作是基于通過注入少數載流子來控制流經基區的電流，雖然BJT是開創性的，但它也有局限性。
1960年，金屬氧化物半導體場效應半導體，與BJT不同，場效應半導體通過電場控制多數載流子的流動來工作，而不是電流控制，這種差別提高了效率，加快了開關速度，降低了功耗，為微電子和內建電路鋪平了道路。
半導體的真正變革力量随着內建電路(IC)的發展而顯現，在20世紀50年代和60年代，傑克·基爾比和羅伯特·諾伊斯等研究人員獨立地将在單個矽片上放置多個半導體、電阻和電容的想法概念化。
這一突破導緻了微晶片的誕生，在這種晶片中，半導體可以密集地組裝和互連，形成了現代計算、電信和電子的基礎，半導體的發明标志着一場技術革命，與真空管相比，它們更快、更小、更節能、更可靠。
半導體的出現使得更小更強大的計算機得以發展，為電信革命鋪平了道路，并改變了消費電子産品，處理能力的指數級增長，器件的小型化，數字時代的興起，都可以歸功于半導體的發明。
随着技術的進步，半導體的尺寸不斷縮小，同時性能不斷提高，這是摩爾定律預測的趨勢，然而，随着半導體在尺寸和功耗方面接近其實體極限，研究人員正在探索替代材料，如碳納米管和量子點，以繼續推動電子技術的發展。
半導體的發明是人類曆史上的一個分水嶺，催化了塑造我們現代世界的數字革命，根植于半導體實體原理，半導體從BJT到MOSFET以及更遠的旅程展示了對創新的不懈追求，它對技術的影響，從微電子到內建電路，給各行各業帶來了前所未有的進步。
應用場景
半導體是現代電子産品的基本構件，它催化了一個技術變革的時代，自從發明以來，半導體已經滲透到我們生活的各個方面，為從計算機到通信系統的所有東西供電，當我們站在這一突破性發明的肩膀上時，認識到支撐現代電子景觀的獨創性、協作和科學基礎是至關重要的。
消費電子産品構成了一個重要的領域，在這個領域中，半導體的功能和便攜性發生了革命性的變化，從智能手機到數位相機，半導體能夠創造出緊湊而節能的裝置，半導體的小型化有助于各種功能的內建，導緻多功能和使用者友好的小工具成為我們日常生活中不可或缺的。
計算領域的指數增長歸功于半導體的影響，半導體使得更小、更快、更強大的計算機得以發展，根據電信号快速開關的能力構成了數字邏輯電路的基礎，實作了複雜的資料處理、存儲和複雜的計算，從真空管到內建電路再到微處理器，計算機已經成為現代社會的支柱。
半導體在通信系統的發展中發揮了關鍵作用，實作了高效的信号放大和調制，這種半導體能夠以極低的功耗放大微弱的信号，這在手機、收音機和衛星通信的操作中非常重要，另一個應用是光纖網絡，它采用半導體進行信号放大和資料轉換，有助于長距離的高速資料傳輸。
汽車工業已經利用半導體來提高車輛的安全性、效率和舒适性，從發動機控制單元到資訊娛樂系統，半導體可以精确控制各種元件，現代電動汽車依靠功率半導體來調節電池和電機之間的能量流動，有助于節能和減排。
半導體已經滲透到醫療領域，為先進的診斷、成像和治療模式做出了貢獻，醫療裝置，如MRI機和超音波掃描器，依賴半導體進行精确的信号放大和處理，起搏器和胰島素泵等植入式醫療裝置利用低功耗半導體來監控身體功能并提供治療，進而提高患者的生活品質。
半導體是可再生能源系統不可或缺的一部分，包括太陽能電池闆和風力渦輪機，它們有助于高效的能量轉換，確定從自然資源中擷取的能量得到有效的轉換和傳輸，功率逆變器中的半導體有助于将太陽能電池闆産生的直流電轉化為家用交流電，進而促進可持續能源發電的發展。
在太空探索領域，半導體推動了衛星技術、深空探測器和通信系統的發展，空間應用中使用的抗輻射半導體確定了外層空間惡劣條件下的可靠性和彈性，衛星使用半導體進行信号處理、資料傳輸和控制，支援導航、天氣預報和科學研究。
從音樂會上的聲音放大到視訊遊戲機背後的處理能力，娛樂業已經被半導體改變了，半導體是音頻裝置的核心，放大和調制聲音信号以獲得身臨其境的體驗，此外，流媒體服務和高清顯示器的興起歸功于半導體的處理能力。
雖然半導體實作了顯著的技術進步，但它們也面臨着挑戰，随着它們尺寸的不斷縮小，功耗、散熱和量子效應等問題變得更加突出，研究人員正在探索新材料和創新設計，以應對這些挑戰并維持電子技術的進步。
半導體的廣泛應用強調了它們在現代社會中的不可或缺性，從通信到計算，從醫療保健到娛樂，半導體是定義當代社會的無數技術的基石，随着我們繼續探索新的領域和應對新出現的挑戰，半導體發明的遺産提醒我們人類的創造力和變革。
發明曆史
半導體的曆史代表了人類創造力、科學突破和技術革命的迷人傳奇，半導體的發明标志着電子領域的一個關鍵轉折點，推動世界進入一個前所未有的進步時代，在20世紀中期，流行的電子裝置依賴真空管進行信号放大和切換。
真空管體積大，耗能高，壽命有限，對更高效、更緊湊、更可靠的器件的需求日益增長，引發了尋找可行替代方案的競賽，研究人員認識到發現一種技術的必要性，這種技術可以克服真空管的局限性，并重新定義電子學的前景。
突破出現在1947年，當時由約翰·巴丁、沃爾特·布拉頓和威廉姆·肖克利上司的貝爾實驗室的一組研究人員向世界介紹了點接觸半導體，這項非凡的發明利用半導體實體學原理，通過控制電流來實作信号放大和開關。
與真空管不同，半導體運作時不需要加熱燈絲，這大大降低了功耗和尺寸，在點接觸半導體成功之後，威廉姆·肖克利在1948年通過引入雙極結型半導體(BJT)進一步推進了這一領域，這種三層半導體器件具有不同的發射極、基極和集電極區域，允許增強對電信号的控制和放大。
BJT的配置使其能夠作為放大器或開關工作，徹底改變了電子電路設計，20世紀50年代後期，另一項突破性的創新出現了:內建電路(ICs)的概念，傑克·基爾比和羅伯特·諾伊斯獨立地提出了在一個矽片上制造多個半導體、電阻和電容的想法。
這一巨大的飛躍消除了對分立元件的需求，減小了電子裝置的尺寸，為微處理器和微控制器的發展打開了大門，20世紀60年代初，金屬氧化物半導體場效應半導體問世，這是半導體技術的重大進步。
MOSFET的設計支援低功耗運作，非常适合便攜式裝置，這一創新，加上小型化方面的持續努力，開創了一個更小、更快、更節能的電子時代，戈登·摩爾在1965年提出的摩爾定律的概念準确地預測了可以內建到半導體晶片上的半導體數量的指數增長。
這一預測幾十年來一直正确，推動了對更小半導體和更大處理能力的不懈追求，随着半導體尺寸接近原子尺度，研究人員正在探索新材料和創新架構，以維持電子技術的進步，半導體的發明和發展對現代社會的幾乎每個方面都産生了變革性的影響。
結語
随着半導體不斷縮小，它們面臨着與功耗、散熱和量子效應相關的挑戰，研究人員正在探索替代材料，如碳納米管、石墨烯和二維材料。
半導體的曆史濃縮了科學好奇心、合作努力和技術飛躍的非凡叙事，從最初的點接觸半導體到現在的納米內建電路，半導體以不可思議的方式重塑了世界，當我們站在這一不朽發明的肩膀上時，我們想起了人類創新的持久力量和對電子領域進步的持久追求。
參考文獻
【1】《機械原理與機械零件》 屈國華、康介铎、黃文燦、何元庚 高等教育出版 2011年
【2】《機械零部件設計》 張金美 機械工業出版社 2019年6月
【3】《機械零件常識》黃文 機械工業出版社 2019年4月