诺贝尔物理学奖|梳理近70年诺奖成果，库叔发现了一个大秘密！慎点！太烧脑了… 价电子|原子|半导

打开我们的电脑、手机等日常设备，你就会发现，诺贝尔奖的成果离我们的生活之近，远超想象：

晶体管——1956年诺贝尔物理学奖
集成电路——2000年诺贝尔物理学奖
显示屏里的液晶原理——1991年诺贝尔物理学奖
液晶屏后面的LED——2014年诺贝尔物理学奖
供电的锂电池——2019年诺贝尔化学奖
电脑的磁盘——2007年诺贝尔物理学奖
摄像头后面的CCD——2009年诺贝尔物理学奖
墙上WiFi连的光纤——2009年诺贝尔物理学奖
光纤里的激光——1964年诺贝尔物理学奖　
GPS卫星上的原子钟——1989年诺贝尔物理学奖

除了获得2019年诺贝尔化学奖的锂电池之外，其他成果都获得了诺贝尔物理学奖。

本文图片

纵观这些成果，它们是信息技术的重要组成部分，其背后的原理都来自于量子力学。物理学家们在以量子力学为基础的凝聚态物理和量子光学等物理学科基础上，开发出了改变世界的信息技术，催生了人类第三次科技革命（信息革命）。

今天，我们就从信息革命的主角——半导体说起。
文 | 张文卓
编辑 | 王乙雯瞭望智库
本文为瞭望智库原创文章，如需转载请在文前注明来源瞭望智库（zhczyj）及作者信息，否则将严格追究法律责任。

1
从半导体到集成电路
一部“硅谷诞生史”

半导体，顾名思义，导电能力介于导体和绝缘体之间。早在1833年，半导体现象就被电磁学的奠基人法拉第发现，但到20世纪初，物理学家也一直无法了解其中的原理。直到量子力学的建立，半导体的导电原理才迎刃而解。

如何理解这一过程？要从原子说起。

量子力学告诉我们，原子通过化学键形成分子，化学键来自不同原子最外层电子的配对。这些最外层电子被称为“价电子” ，它们不仅属于之前所在的原子，也属于与之成化学键的电子之前所在的原子。如果每一个原子的价电子都会与周围多个原子的价电子形成化学键，那么这个“大分子”可以无限地扩展下去，这就形成了固体。

在固体中，原子一般按照周期性排列（即晶体），那么这些价电子如同置身于在一个周期性的原子吸引阵列中，称之为“晶格” 。 1928年，菲利克斯·布洛赫通过求解周期势阱中的薛定谔方程来解决晶体中价电子的行为，得出了布洛赫定理。在该定理中，电子的波函数具有了和晶格周期一样的周期分布，并且能量分布已经不再是单个原子中形成的能级，而是变成了“能带” ，这就是建立在量子力学上的固体能带理论。

注：1952年，布洛赫获得了诺贝尔物理学奖。有趣的是，他所获奖凭借的并不是由他开创的能带理论，而是属于量子光学的核磁共振理论。

当周期性的原子吸引阵列对价电子的吸引较弱，即晶格的势能较浅的时候，可以对布洛赫定理做自由电子近似，得到的结果能够很好地描述导体中的价电子的行为。也就是说，导体中价电子的能带很高，接近自由电子。我们称自由电子的能带为“导带” ，价电子的能带为“价带” 。对于导体来说，导带和价带是重合的。

当周期性的原子吸引阵列对价电子的吸引较强，即晶格的势能较深的时候，可以对布洛赫定理做紧束缚近似，即电子波函数变为一组局域化的旺尼尔函数。这个函数能够描述绝缘体中价电子的行为，即绝缘体中，价电子都紧紧束缚在原子周围，电子需要增加很多的能量才能接近自由电子，也就是说电子的“价带”离“导带”能量差很多。

那么半导体就比较容易理解了，它的价电子的能带正好处于导体和绝缘体之间。也就是说，半导体的“价带”离“导带”非常近：当外界操作（如加电压或者用光照射）让它的价电子的能量升高，从价带进入导带，那么它就变成了导体。让它的价电子的能量降低，它就会回到价带，变成绝缘体。

本文图片

图中从左至右依次为导体、半导体、绝缘体的导带（蓝）和价带（红）对比。

正是半导体的出现，让数字计算机变小变轻成为可能，最终走进千家万户、走到每个人的手中。而数字计算机的发明，离不开“二进制运算”的发明。

我们知道，计算机用比特（0或1）作为信息的最小单元，采用二进制计数法，用输入比特来操作输出比特的结果，从而实现各种数字逻辑门的功能。只要能实现这些二进制数字逻辑门，就可以实现任意二进制运算，也就实现了数字计算机。