硅基光電子芯片是目前半導體芯片發(fā)展的最高級階段。本圖由作者提供。

電子和光子在半導體中獨立運作或者相互作用奠定了不同芯片的基礎(chǔ)。芯片不僅扮演了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)心臟的角色，也給人類社會帶來了各種各樣的機會。對這些芯片的了解程度決定了把握這些機會的能力。心痛可能導致休克，甚至死亡；“芯” 痛則可能導致產(chǎn)業(yè)停滯，甚至消亡。

本文通過四個簡單的概念，介紹四種不同的芯片。希望這些基本知識能夠被引伸到對芯片技術(shù)以及與之相關(guān)的社會發(fā)展問題的一個全新了解。以便從基礎(chǔ)創(chuàng)新，人才培養(yǎng)，到產(chǎn)業(yè)布局，都能夠尊重科技發(fā)展的自然規(guī)律，依靠扎扎實實地耕耘和適當?shù)馁Y源配置，高效率地獲得核心芯片，不再 “芯” 痛。

撰文|周治平

芯片是一個既熟悉又生疏的話題。我們每個人都聽說過芯片，而且每天都要跟芯片打交道。特別是最近，除了科研院所，政府機關(guān)，資本市場在認真對待以外，在商店里，火車上，豬肉店，水泥廠也有人在討論芯片，有的還打算去創(chuàng)業(yè)造芯片。然而，絕大多數(shù)人都沒有真正見過芯片長什么樣，更不用說了解它們的工作原理并區(qū)分不同的芯片了。

大約在60多年前，人們就開始在硅片上進行芯片加工了。當時的芯片非常簡單，有的只有一個晶體管，但是已經(jīng)展現(xiàn)出在尺寸、能耗、和價格方面超越電子管的巨大優(yōu)勢。那個時代叫晶體管時代。

然后到了大家熟悉的集成電路時代，經(jīng)過光電子時代，又到了現(xiàn)在這個大家生疏的硅基光電子時代。這些不同的時代實際上是借助了半導體芯片的發(fā)展而實現(xiàn)更迭的。

正如人體心臟的主要功能是推動血液流動，向其他器官、組織提供充足的血流量，以維持它們正常的代謝和功能一樣，在今天的信息社會里，半導體芯片擔負著處理信息，并且向各行各業(yè)各個角落傳遞信息的功能。芯片功能的強弱決定了信息社會的強弱。缺乏核心芯片引起的“芯”痛則可能導致信息社會停滯，甚至消亡。

1四個概念

要想真正地了解芯片，第一步就是把下面的四個基本概念弄清楚。什么是電子？什么是光子？什么是光譜？什么是半導體？這些名詞聽起來好像非常的玄，但實際上非常好理解。

電子和光子都是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子。大量電子形成的電流，通過金屬導線傳輸；大量光子形成光束通過光波導傳播。不同的是，電子和電子之間可以相互作用：兩束電流相交將形成短路，合為一體；光子之間的相互作用就不那么容易了：兩束光相交叉以后，仍然各走各的路。

光譜是光子的特征，表達光子的不同頻率分布?？梢苑謩e攜帶不同的信息。因此，在一根電線里只可以傳輸一路信號；而在一根光波導里則可以同時傳輸許多路不同的信號，使通信容量和速度大大地增加。

半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。常見的半導體有硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等，硅是各種半導體中，在商業(yè)應用上最為成功的一種。

在半導體晶體中，人為地摻入特定的雜質(zhì)元素，使其導電性能可控，這一特性使半導體成為制造電子芯片的最佳材料。

半導體中電子和光子擁有強烈的相互作用：加電可以發(fā)光；光照可以發(fā)電。它們是光電子芯片的基礎(chǔ)。

2四種芯片

迄今為止，四種不同的芯片都是在半導體材料上發(fā)展起來的，也可以被叫做半導體芯片。它們是依賴電子、光子、或者光電相互作用，決定了它們的特征和用途。

自從1897年湯姆森證實電子的存在以來,電子經(jīng)歷了電真空時代（1905），晶體管時代（1947），來到了集成電路（1958）時代。所謂的集成電路也就是電子芯片的一種，就是我們大家每天都聽說的，每天都在用的IC芯片。集成電路主要以硅為材料，它的一個重要特征就是僅僅只利用電子來作為信息載體。

借助于摩爾定律的推動以及芯片啟和科技的努力，電子產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)成為了全球經(jīng)濟不可分割的一部分。

光子這個名稱是在1927年才被人們所認可。經(jīng)歷了空間光學時代和集成光學時代，專家學者們在30多年以后，借用了電子學發(fā)展的路徑，利用類似的技術(shù)和方法，將大型的光學元器件集成到了一個小小的基片上，形成了光子芯片。光子芯片的重要特征就是僅僅利用光子作為信息載體，不需要電子的參與。