半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明,使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器,60年代早期,很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面,以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上,美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯(Keyes)和奎斯特(Quist)报告了砷化镓材料的光发射现象,这引起通用电气研究实验室工程师哈尔(Hall)的极大兴趣,在会后回家的火车上他写下了有关数据。回到家后,哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划,并与其他研究人员一道,经数周奋斗,他们的计划获得成功。像晶体二极管一样,半导体激光器也以材料的p-n结特性为基础,且外观亦与前者类似,因此,半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。早期的激光二极管有很多实际限制,例如,只能在77K低温下以微秒脉冲工作,过了8年多时间,才由贝尔实验室和列宁格勒(现在的圣彼得堡)约飞(Ioffe)物理研究所制造出能在室温下工作的连续器件。而足够可靠的半导体激光器则直到70年代中期才出现。半导体激光器体积非常小,最小的只有米粒那样大。工作波长依赖于激光材料,一般为0.6~1.55微米,由于多种应用的需要,更短波长的器件在发展中。据报导,以Ⅱ~Ⅳ价元素的化合物,如ZnSe为工作物质的激光器,低温下已得到0.46微米的输出,而波长0.50~0.51微米的室温连续器件输出功率已达10毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。光纤通信是半导体激光可预见的最重要的应用领域,一方面是世界范围的远距离海底光纤通信,另一方面则是各种地区网。后者包括高速计算机网、航空电子系统、卫生通讯网、高清晰度闭路电视网等。但就目前而言,激光唱机是这类器件的最大市场。其他应用包括高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示,及各种医疗应用等。晶体管利用一种称为半导体的材料的特殊性能。电流由运动的电子承载。普通的金属,如铜是电的好导体,因为它们的电子没有紧密的和原子核相连,很容易被一个正电荷吸引。其它的物体,例如橡胶,是绝缘体 --电的不良导体--因为它们的电子不能自由运动。半导体,正如它们的名字暗示的那样,处于两者之间,它们通常情况下象绝缘体,但是在某种条件下会导电。对半导体的早期研究集中在硅上,但硅本身不能发射激光。1948年贝尔实验室的William Schockley,Walter Brattain 和 John Bardeen 发明的晶体管。这一发明推动了对其它半导体裁的研究发展进程。它也为利用半导体中的发射激光奠定了概念性基础。1952年,德国西门子公司的 Heinrich Welker指出周期表第III和第V列之间的元素合成的半导体对电子装置有潜在的用途。其中之一,砷化镓或GaAs,它在寻找一种有效的通讯激光中扮演了重要角色。对砷化镓(GaAs)的研究涉及到三个方面的研究:高纯度晶体的叠层成长的研究,对缺陷和掺杂剂(对一种纯物质添加杂质,以改变其性能)的研究以及对热化合物稳定性的影响的分析。有了这些研究成果,通用电器,IBM和麻省理工大学林肯实验室的研究小组在1962年研制出砷化镓(GaAs)激光发生器。但是有一个老问题始终悬而未决:过热。使用单一半导体,(通常是GaAs)的激光发生器效率不是很高。它们仍需大量的电来激发激光作用,而在正常的室温下,这些电很快就使它们过热。只有脉冲 *** 作才有可能避免过热(脉冲 *** 作:电路或设备在能源以脉冲方式提供时的工作方式),可是通过这种工作方式不能通讯传输。科学家们尝试了各种方法来驱热一例如把激光发生器放在其它好的热导体材料上,但是都没成功。然后在 1963年,克罗拉多大学的Herbert Kroemer提出了一种不同的的方式--制造一个由半导体"三明治"组成的激光发生器,即把一个薄薄的活跃层嵌在两条材料不同的板之间。把激光作用限制在薄的活跃层里只需要很少的电流,并会使热输出量保吃持在可控范围之内。这样一种激光发生器不是只靠象把奶酪夹在两片面包那样,简单地塞进一个活跃层就能制造出来的。半导体晶体中的原子以点阵的方式排列,由电子组成化学键。要想制造出一个在两个原子之间有必要电子键连接的多层半导体,这个装置必须是由一元半导体单元组成,我们称之为多层晶体。 1967年,贝尔实验室的研究员Morton Panish 和 Izuo Hayashi 提出了用GaAs的修改型--即其中几个铝原子代替一些镓,一种称为"掺杂"的过程-- 来创造一种合适的多层晶体的可能性的建议。这种修改型的化合物,AlGaAs, 的原子间隔和GaAs相差不到1000分之一。研究人员提出,把 AlGaAs种植在GaAs 薄层的任何一边,它都会把所有的激光作用限制在GaAs层内。在他们面前,还要有几年的工作,但是通向"不间断状态" 激光发生器-在室温下仍能持续工作的微型半导体装置-的大门已经敞开了。还有一个障碍:怎样发射跨过长距离的光信号。长波无线电波可以很容易穿透浓雾和大雨,在空气中自由传播,但是短波激光会被空气中的水蒸气和其它颗粒反射回来,以至于不是被分散就是被阻挡住。一个多雾的天气会使激光通讯联络终断,因此光需要一个类似于电话线的导管。
1、
1美元逼出来的华人“半导体教父”
1953年,一位麻省理工的年轻硕士同时拿到了福特 汽车 和希尼凡亚公司的offer,当时的福特 汽车 ,是全球 汽车 行业的霸主,不论是实力还是前景都不是后者能够比拟的,后者希尼凡亚公司,从事的是半导体产业,当时全球的半导体发展也不过几年,属于一个新兴行业,前途未知。
本来这个选择题很容易做,换做是谁都会选择去福特工作, 但是因为在谈薪资的时候,福特公司的薪资比希凡尼亚少了1美元,使得这位年轻硕士改变了注意,选择了薪资多1美元的希凡尼亚,进入到了半导体行业。
人生的际遇有时就是这样,因为年轻时的“短视”和“意气用事”,却造就了一代风云人物的崛起。 这位年轻硕士,便是后来的华人“半导体”教父,一手创建了全球最大的半导体制造商台积电的张忠谋。
这位1美元逼出来的“半导体教父”,或许在中国大陆地区,并不是那么知名,除了半导体相关行业的人士,知道并了解他的并不多。但是,在中国的香港、台湾地区,在美国,他就是“华人之光”,最成功的“华人企业家”的代名词。
他所创建的台积电有多厉害呢?业内流传着这么一句话足以说明:“全球高 科技 ,没有他就做不出来”。
我们都知道半导体、芯片这些高 科技 的产品,是许多顶尖产品的“心脏”和基础,经过了这两年的一些事件,我想中国人也对芯片这种东西的重要性有着切身体会了。
这里简单说一下全球芯片行业的模式,能够很好的说明台积电的厉害。
目前全球国际芯片厂商分为两大模式:
一种是IBM、英特尔这样的,通过自主研发出专利技术,然后授权给厂商们进行生产,拥有专利技术的赚大头,组装生产的赚小头。
还有一种是台积电模式,不管是专利技术还是组装生产,全部都自己来,而且全部都能做到世界顶尖水平,尤其是在代工市场份额上, 尽管一大堆代工企业崛起,依然无法撼动他的地位,至今仍然占有全球55%左右的份额,可谓“独孤求败”。
而这一切,都是张忠谋凭借着一己之力打下的江山,看到这里,你是不是对他开始有了敬佩之情呢?
2、
经过了“乱时代”,
我们要引领“大时代”
1931年,张忠谋出生在浙江宁波。父亲是县里的财政处长,家境颇为殷实,也为他创造了良好的教育环境。
可在那个战乱四起的年代,张忠谋还是免不了随着家国命运一起颠沛流离。 1932年张家迁居南京,1937年抗日战争爆发,一家人又匆匆南下广州,而不久后广州又遭到日军轰炸,辗转到了香港,可到了香港没几年,香港沦陷,一家人还是在q林d雨中日夜担忧,苟且偷生。
张忠谋至今还记得日军攻打香港时一个星期戒严,全城断水断粮的场景: “旅馆里的食物渐渐吃尽,后来吃的都是罐头,到最后罐头也吃尽了,幸而那时戒严已经结束了,等父母回到家中,财物已被歹徒抢劫……”
此后,一家人又南上重庆,一路要穿越战区,也是提心吊胆,九死一生。1945年日军投降,经历了短暂的狂喜之后,内战开打,国民党强制推出“货币改革”,其实就是用一文不值的“金圆券”换老百姓手里的黄金、美金,洗劫人民的财产供他们逃跑之用。
张忠谋在上海亲眼见到,由于对金圆券没有信心,民众把所有的钱都争抢着去买不动产保值,导致上海房价一天上涨数倍。 这就是一个政权末日时的疯狂。
江山鼎革之际,张家人再度搬到了香港,张忠谋也在当地的培英中学读书,毕业后留学美国,入读哈佛大学。
从乘飞机前往美国的那一刻起,张忠谋知道,自己经历了十几年的“乱时代”算是过去了。多年之后,当张忠谋深入了解到半导体行业的前景之后,他做出了一个判断: “这个世界由野心家引领的乱时代过去了,未来是和平的时代、拼经济的年代,而企业家就是引领这个大时代的人物”。
正是因为有着类似中国古代知识分子“登车揽辔,澄清天下”的情怀,1987年,56岁的张忠谋接受了“台湾工业技术研究院”的邀请担任院长,但他并不满足于在实验室里的工作,他想要创办一家中国人自己的芯片公司,于是开始了人生第一次创业。
在那个个人电脑鲜有人接触,智能手机更是没有出现的年代,从事半导体芯片行业想要做大市场,谈何容易?
在张忠谋的前面,还有IBM、英特尔这样的行业航母霸占了巨大的市场份额,他一个技术出身的人,不懂得资本运作,想要迎头赶上更是难上加难。 正是这样的现实,让许多人嘲笑这位56岁还要出来“折腾”的半导体老兵,有人劝他,在大企业里再干几年就退休了,领着高额的退休金,当个“院长”名利双收那日子不香吗?
要做事的人,总是会经历这些嘲笑和不解,如果他们也和普通人一样,安于现状,混吃等死,只想着把自己的小日子过好,那么奇迹要谁来创造呢?
3、
“老兵不死,只是凋零”
面对着重重困难,张忠谋秉承着一颗要引领大时代的心,一个一个的迎头解决。
首先,做芯片需要庞大的资金,张忠某没有,但是他想到了办法,台积电先提供芯片代工,让小规模的制造商专注于开发与半导体相关的知识产权,而无需先付出巨大的固定成本,大幅降低了半导体公司进入的门槛。
在台积电创办的第二年,迎来了第一位大客户——英特尔。 英特尔的创始人之一Andrew Grove亲自来到台湾参观,在看过张忠谋的产品之后,竟然给出了266个缺陷的意见。 台积电的工程师们夜以继日的优化工艺,最终通过了英特尔的认证,赢得了第一张大合同。
这次订单非常关键,不仅给台积电带来了利润,还因为有了英特尔的背书,台积电在业内的名气开始慢慢打响。
接下来的30多年,张忠谋带领着台积电一步一个脚印,不断攀上了新的高峰。
1997年,台积电在美国纽约证券交易所上市。
2002年,台积电成为第一家进入半导体产业前十名的晶圆代工公司。
2010年,台积电为全球四百多个客户提供服务,生产超过七千多种的芯片。同年全年营收为新台币4,195.4亿元,不断刷新纪录。
2017年3月20日, 台积电的市值首富超越了英特尔,成为全球市值最高的芯片公司。同年台积电净利润达到800亿元,是同年华为公司的两倍。
2019年,台积电在美国《财富》杂志评选为 "全球最大500家公司" 排行榜中,营收规模名列全球第363名,获利规模名列全球第39名。同年,2019年8月,在"全球顶尖100家公司" 排行榜中,公司市场价值名列第37名。
今年已经89岁的张忠谋,在2018年的时候宣告了从台积电退休,将公司业务全部交予后辈打理。但是,他的另一份事业又重新开始了,那就是写作。用张忠谋自己的话来形容退休状态,就是“老兵不死,只是凋零”。
少年时的张忠谋,曾经也是一位文学爱好者,有着一个作家梦。 但是父亲在看了他写的文章后,说了一句:“如果你选择当作家,恐怕要饿肚子了”。这句话点醒了张忠谋,他很认真的读了自己的文章后,也意识到和专业的作家水准还有很大的差距。于是放弃报考文科,选择了攻读商科。
“世事洞明皆学问,人情练达即文章”,年少不经事的张忠谋,写的都是“为赋新词强说愁”的东西, 如今经历了80余年的沧桑,不仅读了万卷书,行了万里路,还引领了一个时代的崛起,再加上退休后有着大把闲暇,他终于又拿起了笔,准备为自己写一部传记。
我相信,这一定是一部非常精彩的传记,有让我们更深入的了解张忠谋和他所经历的“乱时代”和“大时代”。
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