中国光伏20年:江湖风云录(四)

1951年,得益于二战时期大量的美国陆军和海军的国防电子产品合同(美国参加二战后,全国工业生产被调动起来,一星期可以生产一艘轻型航母),地球物理业务公司整组,德州仪器诞生。1952年,德州仪器买下了生产晶体管的专利证书,开始生产并研究晶体管,并很快成功地制造出了世界上第一个商用硅材料晶体管。

套用每年回顾行业的习惯用语:对于多晶硅-光伏行业来说,“2020年是不平凡的一年”。无意间回想才发现,这“不平凡”,我竟已写了10年,从专职光伏记者,到投资多晶硅、光伏产业的工程公司职工,10年来,多晶硅-光伏行业始终牵动着我的思绪。这“不平凡”,绝非简单地写作习惯和照搬套用,而是从本世纪初至今,中国的多晶硅-光伏行业在短短20年时间里,风云变幻、沉浮轮转,已极尽浓缩了其他行业几十年甚至上百年的发展轨迹。

“一切向前走,不能忘记走过的路;走得再远、走到再光辉的未来,也不能忘记走过的过去,不能忘记为什么出发。”值此“十三五”收官、“十四五”开局的关键节点,站在“两个一百年”的交汇关口,回望行业的发展历程,希望能在兴替得失间以笔承史,为下一段路途积蓄稳健前行的力量。

以为纪念、以为祝愿。

一、缘起:光伏诞生

(19世纪~20世纪60年代)

5.德州仪器

1951年,得益于二战时期大量的美国陆军和海军的国防电子产品合同(美国参加二战后,全国工业生产被调动起来,一星期可以生产一艘轻型航母),地球物理业务公司整组,德州仪器诞生。1952年,德州仪器买下了生产晶体管的专利证书,开始生产并研究晶体管,并很快成功地制造出了世界上第一个商用硅材料晶体管。

上文提到的蒂尔,离开贝尔实验室后,加入了德州仪器,成为行业发展进程中的“狠角色”。研制PN结锗晶体管在技术上最大的拦路虎就是缺乏足够纯净、均匀的半导体“锗”材料,这就极大地制约了结晶体管的研制工作的推进。因此,蒂尔提出了半导体单晶体的设想:先制造出一个大的“锗单晶”,才有可能进行P结或者N结的掺杂。但是他的建议并没有得到支持。在一片嘲讽中,他和实验室的技术人员制造了一台能够满足警惕生长的简陋设备,并借鉴柴可夫斯基的CZ法尝试进行单晶硅生长,把一个小小的“晶籽”——锗晶体悬浮在熔融锗的坩埚中,然后慢慢地、慢慢地“拉出来”,最终形成一个又长又窄的锗单晶。锗单晶成功制成之后,PN结晶体管的研制就如同囊中取物,化学家Morgan Sparks第一次率先采用了戈登·K·蒂尔的方法,他通过在晶体生长过程中向熔融的锗滴入了微小的杂质颗粒,最终形成了一个非常简陋的P-N结,这也是全球半导体产业第一个PN结。

随后,蒂尔又将实现投向了上文提到的NPN结晶体管。1950年4月份,在贝尔实验室,他们两人在熔融的锗中加入了“两个连续的小球”,一个具有P型杂质,一个具有N型杂质,最终在内层形成了具有一层很薄的基层——NPN结构。1951年,贝尔实验室第一批PN结晶体管M1752开始获得了商用化。

1954年2月14日,德州仪器的戈登·K·蒂儿,也独立成功研制出了全球第一个商用化的硅晶体管,并于当年的5月10日,在俄亥俄州代顿举办的美国IRE国家航空电子会议(注:塔尼巴恩是在非正式固体器件会议)上发表了他的研究发现——《近期硅锗材料和设备的发展》(SomeRecent Developments in Silicon and Germanium Materials and Devices)。(注:IRE(美国无线电工程师协会),也就是今天的IEEE(美国电气和电子工程师协会)的前身,是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会,是世界上最大的专业技术组织之一,拥有来自170多个国家的30多万会员。)IEEE是在1963年1月1日由美国无线电工程师协会(IRE,创立于1912年)和美国电气工程师协会(AIEE,创建于1884年)合并而成,斯坦福大学的特曼教授和他的学生、惠普创始人之一休利特均是IRE的主席。我们比较熟悉的是IEEE 802委员会制订的标准,包括:IEEE 802.11F无线局域网规范。随笔还要小小地补充一点,IEEE很多人读错,习惯性地读成I-E-E-E,但是它的正确读法应该是“Eye-triple-E”。

1954年的这次IRE大会足以载入全球半导体“硅周期”之历史史册。这一年的5月,在俄亥俄州召开的全国无线电工程师大会上,蒂尔代表德州仪器参加了会议。在前面几个小时的报告中,各家厂商都在报怨硅晶体管的生产面临着众多的技术难题,不少人甚至悲观地认为,硅晶体管的研究也许会走向一条死胡同。

终于轮到德州仪器(Ti)发言了,蒂尔先是附和了一番,“锗晶体管是如此这般的不稳定,硅晶体管的研发生产又是如此这般的困难重重”,“但是”蒂尔最后话锋一转,“我可以很负责任地告诉大家,Ti已经解决了商用硅晶体管的批量生产问题!”

蒂尔的话音未落,顿时震惊全场,台下的与会代表们马上骚动起来,有人大声喊道:“你是说Ti已经生产出商用级的硅晶体管了吗?”

“是的,我们已经有三个型号的硅晶体管在生产线上了。”蒂尔漫不经心地从口袋里掏出一个晶体管,“我今天恰好带了一个在身上,我可以给大伙演示一下。”

蒂尔拿出一台改装过的录音机,先是接上一个锗晶体管放大器,在放了一段音乐后,把锗晶体管浸到一杯热油中,音乐嘎然而止。随后,蒂尔把锗晶体管换上了Ti的硅晶体管,同样浸在热油中,音乐继续播放。台下掌声雷动,整个会场沸腾起来了。

全球首个商用硅晶体管的精彩发布,震惊了整个半导体工业界,同时这使得德州仪器这个半导体领域的“新兵”,一跃成为了业界的明星和领头羊。

当年5月份,德州仪器很快就将戈登·K·蒂儿的研究成果转化为生产力,第一批硅晶体管完成生产试制,很快就成功应用于美国军方部门,并且是毫不费吹灰之力,几乎是形成了完全垄断的销售,从1955~1958年,德州仪器公司获得了丰厚的“科技红利”回报,德州仪器轻松地获得了在半导体领域的“第一桶金”。直到“硅谷鼻祖”成立后,德州仪器才迎来了其在半导体产业的最大的对手——“仙童系”之龙头,美国仙童半导体公司。

在随后的3年时间里,德州仪器实现了美国市场的垄断,“硅”晶体管市场的时间窗口,让德州仪器公司挣到了公司成立以来最大的一笔丰厚的利润,这就是科技红利的魅力。在这一时期,IBM第二代掌门人——小托马斯·沃森一口气买下了200台晶体管收音机,送给IBM公司高层管理人员,并告诉他们:“如果这家公司的产品在收音机上用得很好,那么它们应该在我们的计算机上也用得很好。”很快,IBM成为了德州仪器公司成立以来最大的“大客户”之一,开始大量采用“硅”晶体管以替换IBM大型计算机中的真空管。

在上一章节提到的塔尼巴恩在1954年1月没能继续的研究,在德州仪器这里受到了重视:进一步得益于杜邦公司的高纯度硅,1954年4月14日成功研制了硅晶体管——采用生长结技术的N-P-N结构的晶体管。

1956年,德州仪器公司的销售额达到了4570万美元,比上年增长59%。虽然1250万只“硅”晶体管的年销售量与几十亿只真空管的年销售量相比微不足道,但是很明显,这是一个成长中的业务,这是一个看得见的“大蓝海”。在德州仪器的“硅”晶体管的带领和刺激之下,1957到1958年,市场需求量翻了一番,全世界晶体管的市场需求量由1200万只增长到2500万只,整个产业的销售产值在1958年约2.28亿美元,到1960年增长到4亿多美元。几乎在所有的领域和各个方面,晶体管都在全面代替真空管。而德州仪器公司自身呢?到1956年,公司的销售额达4570万美元,比上年增长59%。虽然1250万只晶体管的年销售量与几十亿只真空管的年销售量相比微不足道,但是很明显,这是一个快速成长的业务。在随后的三年里,德州仪器公司继续以惊人的速度增长,年销售额平均增长61%,年利润平均增长73%。到1959年,公司公布的销售额达1.93亿美元,是上年的两倍多,年利润增长136%,达1400万美元。

1959年1月,美国《福布斯》杂志上的一篇文章热情地介绍了德州仪器公司:“自从跻身电子行业以来,现在它可称为全国晶体管的第一号生产商,这小小的电子装置可做真空管的事,形成了目前全美国发展最快的领域。”

美国各类主流的财经媒体不断惊呼:“自从1950年以来,德州仪器公司的销售额增长12倍,1958年预计达9000万美元,利润增长10倍以上,去年达到约520万美元。”

华尔街各类股评家纷纷追捧:“股票市场就像已见到的那样,在12个月内,德州仪器公司的股票由每股73美元暴涨到近250美元。”

各大投行的分析师们已经无法表达内心的敬仰之情了:“几年来,哈格蒂抓住并博取了华尔街证券分析师们的眼球,而哈格蒂最让分析师们入迷的就是你只需要、仅仅只是重复一点简单的算术就行了。从毕达哥拉斯以来,数字从未有过这样美妙的魔力。”

1961年11月,美国《财富》杂志总结了德州仪器的成功经验:“硅晶体管是德州仪器(Ti)发展之历史的转折点,Ti的销售额几乎是垂直上升的,公司突然之间就跻身于大公司之列。”

硅市焦点:

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新技术如何助推国产硅片迭代进程?

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■ 碳化硅半导体如何在新基建领域应用,未来发展趋势如何?

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