读半导体简史02量子世界

1. 能检波的石头

1.1. 伏特

• 1.1.1. 1782年，发现带电物体与金属接触时会立即放电，与绝缘体接触时不会放电，与某种材料接触时将缓慢放电

• 1.1.2. 认为这种材料具有半导体特性(Semiconducting Nature)

• 1.1.2.1. 是人类历史上第一次出现半导体这一称呼

1.2. 拉瓦锡

• 1.2.1. 1787年，现代化学之父拉瓦锡预言在石英中含有一种特殊的元素，他将其命名为Silice

1.3. 法拉第的老师戴维，认为这种元素应该是一种金属，将其改名为一个具有金属后缀的称呼Silicium

1.4. 苏格兰化学家Thomas Thomson

• 1.4.1. 认为这种元素不是金属，建议使用Silicon这个名字，与碳(Carbon)、硼(Boron)等元素一致以“-on”为后缀

• 1.4.2. 这个称呼延续到今天，Silicon的中文就是“硅”

1.5. 此时硅对人类的意义不及玻璃，没有任何人知晓“硅”所蕴含的真正能量

1.6. 无线电的传输有两大难题

• 1.6.1. 无线电波的发射功率不高，电波无法沿着指定的方向发射

• 1.6.2. 无线电波的接收灵敏度很低

1.7. 布劳恩

• 1.7.1. 1874年，布劳恩发现在金属硫化物的两端施加一个正向电压时，电流可以顺利通过，施加反向电压时电流截止

• 1.7.1.1. 晶体易碎，测试晶体的导电特性并不容易

• 1.7.1.2. 晶体的单向导电性不能稳定存在

• 1.7.2. 第一个发现晶体整流特性的布劳恩，没有重视这些貌似石头的晶体，将其搁置一边，专注其他领域，并很快有所成就

• 1.7.3. 1897年，他制作出阴极射线管(Cathode-Ray Tube，CRT)

• 1.7.3.1. 阴极射线管是现代显示技术的基础，直到20世纪中后期，阴极射线管仍广泛应用在电视机与计算机等的显示器领域

• 1.7.4. 使用磁耦合天线，对马可尼使用的发报机进行了根本的改造，极大增强了发射功率，提高了无线电的通信距离

• 1.7.5. 发明了可以将无线电波仅沿一个指定方向发射的定向天线技术，该项技术减少了无线电波的无效能量损耗，至今依然在雷达、3G、4G与5G系统中大规模使用

• 1.7.6. 1909年，布劳恩与马可尼因为在无线电领域的成就，分享了诺贝尔物理学奖

1.8. 晶体二极管是无线检波器的重要组成器件，至今依然活跃在电子信息产业的多个应用领域

• 1.8.1. 无线检波器的作用是从接收到的信号中挑选出有效信息

1.9. Pickard

• 1.9.1. 发现某些矿石具有单向导电性，可以制作检波器

1.10. 猫胡须检波器(Cat Whisker Detector)

• 1.10.1. 以矿石为主体搭建，也被称为矿石检波器

• 1.10.2. 等效于一个二极管与两个电容并联所组成的检波电路

• 1.10.3. 极大推进了无线通信的发展

• 1.10.3.1. 不久之后，收音机开始进入千家万户

1.10.3.1.1. 这种收音机使用的检波器可以由深山老林中貌似普通的石头制作

1.10.3.1.2. 人类历史上迎来了一系列重大的材料发现热潮

• 1.10.3.2. 无线电制作迅速成为一个普通人就能拥抱的业余爱好，手工制作一个收音机逐步从梦想变为现实

• 1.10.3.3. 在那个年代，收音机的地位不亚于今天的智能手机

1.10.3.3.1. 比智能手机更加引人注目的是这种收音机可以自己组装

1.11. 历经万年的等待，半导体材料即将以全新的方式呈现在世人面前

2. 电灯

2.1. 爱迪生

• 2.1.1. 爱迪生的许多发明并非原创，其中包括电灯

• 2.1.2. 爱迪生改良电灯时，发现碳丝不耐高温较易蒸发而影响寿命

2.2. 1897年，汤姆逊发现电子，弗莱明借用电子理论解释了“爱迪生效应”​，却没有找到这种装置的应用场景

2.3. 1899年，弗莱明成为马可尼公司的科技顾问

2.4. 屏极(Plate)

2.5. 电子二极管的工作原理较为简单，当电灯点亮后，灯丝将发光发热，并对外辐射电子

2.6. 福雷斯特(Lee De Forest)

• 2.6.1. 1905～1906年，福雷斯特使用类似于灯泡的真空管，与已知的电磁学等知识进行各种排列组合，试图有所发现

• 2.6.2. 1906年1月，他提交了一个使用真空管制作振荡装置的专利

• 2.6.3. Audion

• 2.6.3.1. 中文名为三极真空管

• 2.6.4. 发现这种三极真空管不仅可以用于振荡与检波电路，更为重要的是具有电流放大功能

• 2.6.5. 使用三个真空管，制作出三级级联的放大器，成功地将无线电信号放大了120倍

• 2.6.5.1. Triode

2.6.5.1.1. 电子三极管

2.7. Lowenstein

• 2.7.1. 发现在三极真空管的栅极施加反向偏置电压之后，可以成功地将音频中的声音放大

• 2.7.2. 三极真空管至此正式进入“放大”领域

• 2.7.3. 1912年4月24日，Lowenstein为此申请了专利

2.8. 无线电通信中使用的三个核心电路，即在无线信号发送时使用的振荡器，在无线信号接收时使用的检波器与放大器，全部可以使用电子三极管实现

2.9. 理查森(Owen Willans Richardson)

• 2.9.1. 电子三极管出现的同期，英国物理学家理查森(Owen Willans Richardson)系统研究了加热所引发的电子流动现象

• 2.9.2. 发现当温度上升到某个阈值后，大量的电子将从金属中逸出，这种现象也被称为“热电子发射”​

• 2.9.3. 精确地推导出热电子发射的公式，并因此获得了1928年的诺贝尔物理学奖

2.10. 阿姆斯特朗(Edwin Howard Armstrong)

• 2.10.1. 现代无线电技术之父

• 2.10.2. 使用电子管制作了高频振荡与反馈电路

• 2.10.3. 高频振荡电路是现代无线电发送设备的基础

• 2.10.4. 反馈电路可以将无线电信号轻易地放大几千倍

• 2.10.5. 在振荡电路和反馈电路方面的开拓性工作，标志着现代无线电技术的诞生

2.11. 使用电子管，还可以搭建出数字电路中常用的“与非门”​

• 2.11.1. 与非门是数字电路的基础，所有数字电路，无论多么复杂，都可以仅用与非门实现

2.12. 1945年，John Mauchly和Presper Eckert借鉴了ABC(Atanasoff-Berry Computer)计算设备的设计思想后更进一步，基于电子管制作出现代意义上的电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator and Computer)

2.13. 半导体材料改变了电子管的命运，也改变了全人类的命运

3. 量子世界

3.1. 在20世纪的上半叶，只有参与了与量子力学有关的科学家，才有机会在科技史册中留下足迹

3.2. 提出问题是最困难也是最为关键的一环

• 3.2.1. ​“提出问题通常比解决问题更为重要。解决问题也许仅需要一个数学或者是实验上的技能，提出新的问题需要创造性的想象力。这个创造性标志着科学的真正进步”​

• 3.2.1.1. 爱因斯坦

3.3. 普朗克

• 3.3.1. 1900年，普朗克在研究黑体辐射问题时，发现只有假设能量离散分布时，才能推导出一个与实验结果相符的黑体辐射公式，这个公式被后人称为普朗克定律

• 3.3.2. 引入了一个辅助变量h，被后人称为普朗克常数

• 3.3.2.1. 这个常数使原本被认为连续的自然界，变成了一段一段的非连续空间

3.4. 宏观世界满足的规律被称为宏观规律

• 3.4.1. 宏观世界可以由经典力学、经典电磁学、经典统计力学解释

• 3.4.2. 宏观世界的经典理论无法解释微观世界的实验结果

3.5. 微观世界是一个客观存在的物质世界

• 3.5.1. ，与我们所能直接感知的宏观世界相比，其运行规律有较大的区别

• 3.5.2. 科学家将分子、原子或者更为微观的粒子，如光子与电子，称为微观客体，微观客体遵循的规律被称为微观规律，符合微观规律的客观物质世界被称为微观世界

• 3.5.3. 微观世界中的时间、空间与能量是离散的，是跳跃的，与我们长期以来从宏观世界获取的常识大不相同

3.6. 量子力学诞生之前，因果论与决定论是科学家恪守的基本信念

• 3.6.1. 爱因斯坦坚守经典物理世界观，因果论与决定论，他相信“上帝不会掷骰子”​，他坚定地认为哥本哈根学派的“不确定性原理”和“波函数的统计解释”是离经叛道，坚定地认为量子力学的不确定性只是表面现象，在背后必然有一个明确的因果关系

• 3.6.2. 科学研究基于因果关系，从观察特定条件下的实验现象开始

• 3.6.3. 之后改变条件，并测量可能出现的变化

• 3.6.4. 纳实验现象并推演出普遍定律

• 3.6.5. 最后将这个普遍定律拓展到更多的领域

3.7. 量子力学主要用来研究微观世界的运动规律

• 3.7.1. 在量子力学的发展初期，一边做实验，一边凑答案，一边坐在家里猜理论，是一个再正常不过的常态

3.8. 无论是金属、绝缘体还是半导体，其材料特性需要在这个微观世界中找寻，其奥秘需要由量子力学理论来揭晓

3.9. 光谱分析法

• 3.9.1. 在爱因斯坦提出光量子理论后，光谱分析法这条实验物理路线始终独立向前发展，​“散布光子，捕获光子，分析光子”成为探索微观世界的一种有效方法

3.10. 19世纪初，英国科学家道尔顿提出原子实心球模型，他也认为一切物质都是由原子组成，而原子是一个不可分割的实心球

3.11. 1897年，汤姆逊发现了电子之后，于1904年提出葡萄干蛋糕模型，他认为电子平均分布在整个原子之上

3.12. 1909～1911年，汤姆逊的学生卢瑟福在使用α粒子轰击金箔的实验中，发现原子中心应该具有一个非常小的核，即原子核，原子的正电荷和几乎全部质量都集中在原子核中

3.13. 1911年，卢瑟福否认了他的老师汤姆逊创建的葡萄干蛋糕模型，提出了电子分布的行星模型，认为原子模型类似于太阳系

3.14. 1913年，玻尔提出了原子的能级模型，以解决卢瑟福行星原子模型的问题

• 3.14.1. 玻尔提出的这种能级模型，在某种程度上，是根据已知结果凑答案

• 3.14.2. 电子可能出现在这个微观系统的任何位置，但是整体依然会呈现分层，因为在某些位置，电子出现的概率更大一些

• 3.14.3. 玻尔认为电子围绕原子核进行运动时，需要遵循两种规则，一个是定态规则，另一个是频率规则

• 3.14.4. 定态规则认为，在原子核的周围有若干个能级不同的轨道，每一个轨道都有一个定态能级E，当电子在这些轨道中运行时，不会以辐射电磁波的方式消耗能量

• 3.14.5. 频率规则基于光电效应方程，玻尔认为电子可以在不同的运行轨道中进行切换，但是在进行切换时，电子需要吸收或者释放相应能量，保持整体能量守恒

3.15. 在玻尔原子模型发布不久，德国物理学家索末菲(Arnold Sommerfeld)将这个模型的圆形轨道推广为椭圆轨道，并引入相对论理论进行修正

3.16. 1923年，法国物理学家德布罗意在光的波粒二象性的启发下，提出了物质波，将光的波粒二象性推广至整个微观世界

• 3.16.1. 戴维森与革末的电子衍射实验为物质波假说提供了实验支撑

3.17. 1925年，德国物理学家海森堡引入矩阵力学，从理论的角度来描述量子力学，这也是第一个描述微观世界的系统理论

• 3.17.1. 同年，泡利提出描述微观粒子运动的泡利不相容原理

3.18. 1926年，薛定谔提出一套描述微观世界的理论，波动力学

• 3.18.1. 波函数的出现使得量子力学领域的争议白热化，因为哥本哈根学派的玻恩，居然把薛定谔的这个波函数的“模平方”翻译成微观粒子出现的几率，即“波函数的统计解释”​

• 3.18.2. 哥本哈根诠释认为量子系统不可被测量仪器观察，因为仪器会影响微观系统，波函数因此将坍塌成为确认值

• 3.18.2.1. 奇妙的现象是实验中如果在双缝后出现观测行为，则干涉条纹消失

• 3.18.2.2. 即观测能够改变实验结果

• 3.18.2.3. 根据哥本哈根诠释，在微观世界观测行为能够影响实验结果是已知结论

• 3.18.3. 哥本哈根诠释确立的量子力学的哲学观与方法论，相当于数学中的公理

3.19. 1927年，尚不满26周岁的海森堡提出“不确定性原理”​，他认为一个粒子的位置和动量不可被同时确定

3.20. 1930年，狄拉克的《量子力学原理》一书出版

• 3.20.1. 断言“光子仅和自身干涉，干涉不会发生在两个不同的光子间”

3.21. 直到1961年，德国物理学家Claus Jönsson在铜片上加工出一组300nm的狭缝，才完成了第一个基于电子的双缝实验，得到了与杨氏双缝干涉实验结果一致的干涉图案，验证了电子的波动性，但是他在实验中使用的是电子束而不是单个电子

3.22. 1974年，意大利物理学家Merli、Missiroli与Pozzi使用电子双棱镜模拟双缝干涉，发现即使在每次只发射一个电子的情况下，依然可以出现双缝干涉图案

3.23. 使用真正的单光子光源进行的双缝实验，直到1986年，才由Grangier、Roger与Aspect完成

• 3.23.1. 即便每一次仅发射一个光子，在检测屏上依然出现了干涉图案