来源|腾讯科技

81岁的半导体科学家李思敏清瘦矍铄，独居在北京北三环40多平方米租来的一室小屋。这是一个标准的科研工作者居所的样子：卧室就是他的实验室，桌子上、阳台上全是电路板和管线。

李思敏常常在这间小蜗居工作到凌晨两三点。只要有新的想法，他就会反复做实验来验证。

随着年纪越来越大，女儿提出和他同住以便照顾。李思敏则说，需要独立空间思考和做实验，以后再说。

李思敏一辈子都在研发功率半导体器件芯片。他是中国第一个高压绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）的参与制造者。

IGBT是小到电焊机、电磁炉，中到新能源汽车充电桩，大到轨道交通、电网、航空航天、风电风机运转的“CPU”。

从电磁炉到充电桩，再到轨道交通等，都会用到IGBT。/Pexels

中国缺“芯”不是一天两天了。不论是集成电路芯片（IC），还是功率半导体器件，高端产品几乎都从美日欧进口。

多年来，李思敏甚至自掏腰包卖了仅有的住房做功率半导体芯片研发，想要打破国外“电压型”IGBT路线的垄断。

“现在，芯片和模块都能生产出来了，单项检测的结果远远强于IGBT，就缺整机测试。”李思敏对《新周刊》记者说。

整机测试是产品从科研到市场应用的临门一脚，也是成本最高的重要一环。

“整机测试凭我的力量做不了，只能国家或者大公司牵头来做。”李思敏以高铁为例，整机测试至少要花费一两年。

                 以高铁为例，整机测试至少要花费一两年。/Pexels

第二次工业革命的小尾巴

1956年，16岁的李思敏考上了北京大学物理系。李思敏是广西桂林人。他记得，那一年，自己取得了广西壮族自治区高考的第二名。“第一名也在北大，去了数学系。我的专业是半导体物理。”他回忆道。

李思敏这一代人，生逢国家工业基础薄弱、亟待建设的年代。

大学时代的一个夜晚，李思敏和同学们看到头顶飞过苏联的人造卫星，兴奋得跳起来。选择了科技报国的年轻人第一次见到实体卫星，激动之情溢于言表。旋即，一位同学感慨道：“如果中国的卫星飞上天，那我就高兴得从这楼上跳下去。”

李思敏对这个场景印象很深。恰同学少年的意气风发和为国争光的情怀，成为他后来选择自主研发半导体器件的信念支撑。

大学毕业后，李思敏被分配到了北京市无线电器件研究所。“1983年，我参加了与清华大学微电子所联合攻关的8085微处理器的工作。”李思敏说。他的经历覆盖了半导体行业所有产品领域。

半导体行业按照产品分为两大类，一类相当于人类的大脑神经，这就是目前闹供应荒的紧缺的集成电路芯片(Integrated Circuit Chip)；另一类相当于人的四肢，叫做电力电子器件，也叫功率半导体器件（Power Semiconductor Device），中高端产品同样高度依赖进口。

半导体行业分为两大类，一类相当于人的大脑神经，一类像是人的四肢。/Pexels

李思敏从事的正是功率半导体器件芯片设计工作。

功率半导体器件是第二次工业革命的产物。功率半导体器件的历史，要追溯到19世纪发明灯泡的爱迪生。

1883年，爱迪生在研究白炽灯泡的寿命时，在灯泡的碳丝附近焊上两小块金属片。他发现，金属片虽然没有与灯丝接触，但如果在它们之间加上电压，灯丝就会产生一股电流，趋向附近的金属片。这个现象被称为“爱迪生效应”。

爱迪生把这个效应申请了专利之后，他本人并没有继续研究下去。他忙于成立实验室和开公司，在1892年成为美国通用电气公司（GE）的创始人之一。

1904年，在爱迪生伦敦事务所里当顾问的英国人弗莱明，首次利用“爱迪生效应”，研制出一种特殊灯泡“热离子阀”，后世称之为“真空二极管”。这是世界上第一只电子管，最先被应用到无线电报的接收机上。世界进入电子时代。

世界上第一个真空管。图/360doc.com

弗莱明的真空二极管只有检波与整流的功用，而且不稳定。1906年，经美国发明家德·福雷斯特的改良，弗莱明的玻璃管内添加了栅栏式的金属网，形成第三个极，由此三极真空管出世。1947年，美国贝尔实验室发明了晶体管。世界由电子管时代进入晶体管时代，电力电子真正成为一门学科。

在此基础上，1957年，爱迪生参与创办的美国通用电气公司生产出全球第一个晶闸管，也称可控硅(Silicon Controlled Rectifier，简称SCR）。这是第一代半导体器件。

这是一种半控制型的大功率电器元件，只要在控制极加上很小的电流或电压，就能控制很大的阳极电流或电压。

“它的缺点很像一个房子，开了门之后关不上，要想关上，得把房子倒过去。”李思敏用了个比喻，来说明晶闸管的门极只能控制其导通、不能控制其关断的局限性，晶闸管的工作频率一般低于400赫兹。

上世纪六七十年代，全控型第二代半导体器件应运而生，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）为代表。

李思敏租住的一室小屋。图/周洲

“第二代功率器件，属于电流型半导体器件。”李思敏介绍道。集成电路和微电子技术，促使这些电子器件朝着小型化和功能化方向发展。

上世纪80年代初，以金属—氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为主的第三代功率器件兴起。第三代功率器件也叫现代电力电子器件。

“这是电压驱动型的半导体器件，占据主导地位，目前还没有出现替代品。”李思敏说，半导体功率器件的生命周期很长，至少50年。“现在报道上说的第三代半导体，指的是第三代半导体材料，不是第三代半导体器件。”

中国半导体往事

上世纪80年代，当世界已经进入第三代半导体器件时段，中国的半导体器件还在从第一代电子管向第二代晶体管过度。

原北京电子管厂的集成电路科研工作者朱贻玮在《未曾忘却的记忆：回旋在酒仙桥地区的集成电路梦》写到，原北京电子管厂是中国第一个五年计划期间由苏联援助建设的156项工程之一，是上世纪60年代亚洲最大的电子管厂，成立之初，主要生产第一代半导体电子管，后来也生产第二代晶体管。

北京电子管厂（774厂）厂区楼房。图/朱贻玮

新中国的半导体历史，是留学归来的技术人才和本土培养的精英的奋斗史。海归们在研究所“引进吸收”，本土精英在工厂产线上和工人们一起“自力更生”。

朱贻玮提到，上世纪60年代，中国有多家单位进行集成电路研发，北京的研究单位有中国科学院半导体研究所、中国科学院计算技术研究所156工程处和北京市无线电器件研究所，石家庄有13所（河北半导体研究所）。

工厂方面，北京酒仙桥有原北京电子管厂，上海有元件五厂。说酒仙桥是中国半导体的摇篮一点不为过。

1967年，中国由于“三线建设”的需要，第四机械工业部（简称“四机部”）决定筹建独立的集成电路工厂。

老北京电子管厂抽调人马，历时十年，参与筹建的北京东光电工厂（878厂）在1978年终于建成。878厂和脱胎于上海元件五厂五车间的上海无线电十九厂，成为集成电路工厂的南北“两霸”，每年春秋召开全国电子元器件订货会议。计划经济时代，在订货桌前排长龙订货的盛况延续了10多年。

当时，国内的研究所和南北两家工厂基本上是各自独立研究。

彼时，国内的研究所和南北两家工厂基本上是各自独立研究。/Unsplash

北京电子振兴领导小组办公室的王正元和孙亲仁，在1988年写了一篇情词迫切的建言，列述中国半导体产业令人忧心的状况。

国际上，自半导体问世以来，电子技术朝着两个方向发展，一个以信息为方向发展成为微电子技术，另一个向功率方向发展成电力电子技术。

中国认识到了微电子技术的重要性，但由于技术差距和资金不足，处于困境；而电力电子技术，还未引起足够重视。

1972年，北京大学电子仪器厂研制出中国第一台100万次大型电子计算机之前，中国半导体的生产是“集成电路不如晶体管，晶体管不如电子管”一代不如一代局面。

王正元和孙亲仁在《电力电子技术与我国电子产业的发展战略》中提到，当时制造经营微电子器件的美日欧各大电子公司，积极发展智能化半导体器件，而国内还处在微电子和电力电子“老死不相往来”的技术阻隔、“电力电子技术简单低级不能成为气候”的偏见中。

1988年，北京市电子振兴领导小组办公室举行头脑风暴，打破技术和所属部委的分隔，集齐半导体业界最优秀的人，每半个月召开一次中国电力电子研讨会。

曾经的头脑风暴给了这些天才科学家们科研方面的积累。/Unsplash

天才成群结队而来。这也许是中国史无前例的功率半导体人才大会师。李思敏参加了人才济济的头脑风暴。“国家很重视。国内各个工厂、研究院、大学的专家、教授都集合在一起，各门类的电力电子人才交流碰撞学习。”

常常饿着肚子搞科研的参会者们还惊喜地获得了“管饭”的待遇。

珍贵的头脑风暴持续了半年。李思敏说，他后来的研发受益于此时的积累。

第一支国产高压IGBT

李思敏的设计创新，来自他在任何地方都不断学习和思考的习惯，也受益于改革开放带来的机会。

上世纪80年代，国际上已经研发出第三代半导体器件IGBT，特点是效率高、切换速度快，主要用于电动车辆交流电电动机的输出控制，德国英飞凌（原西门子半导体部门）和日本三菱为技术上第一梯队的强者。

 交流电电动机。/Unsplash

国际著名的功率半导体器件专家、中国科学院院士陈星弼的学生、半导体专家黄勤，正研发中国第一支高压IGBT，需要合作者。

恰好，陈星弼的另一个学生是北京半导体器件研究所的总工程师。他找到时任所里高技术实验室副主任的同事李思敏，建议学半导体出身的李思敏和黄勤进行合作。也在那时，李思敏接触到了留美回国的陈星弼。

李思敏帮助黄勤，用北京市科委支持的高技术室的实验条件，制作出中国第一支高压IGBT。

“这第一支国产高压IGBT，是黄勤设计，我负责工艺制作。”李思敏忆道。多年后，在国外半导体界颇有声望的黄勤回国还到访李思敏家，李思敏的老伴做了家常菜，几人一起围炉忆当年。

围炉忆当年。/电影《饮食男女》剧照

上世纪80年代末至90年代中期，半导体行业曾获政府大力支持，一方面因为工业信息化和自动化“两化”需要，另一方面是中国外汇紧缺，急需电力电子行业改变进口局面，出口换汇。

1991年，根据1988年《国家重点科技攻关项目的选择》和科学技术中长期发展纲要中提出的重大科学技术问题，中国开始实施“八五”国家重点科技项目（攻关）计划，对农业、交通、重大装备、主要原材料等领域共安排了180个重大项目，投入了90亿元资金。

电力电子器件及应用方面，中国提出坚持基础与应用并重的方针，力争在“八五”期间有大突破，逐步改变在电子信息技术发展上受制于人的状况。

王正元集合了北京市功率半导体的各路人才，组建了北京市电力电子新技术研究开发中心，并策划成立了合资公司，以完成“八五”IGBT攻关任务。

1992年，李思敏被调入中心，进入合资公司，1994年，被派到美国学习最新的半导体器件沟槽型IGBT全套技术。

赴美前，他先在国内花了大半年时间，消化4本厚厚的资料，经过培训，方动身前往。

赴美前，李思敏阅读了大量的材料和文献。/Pexels

李思敏很珍惜这个机会。“学习就是为了超越，所以格外用心。”他回忆道，美国同行对自己很尊重，美国某公司技术副总裁夸李思敏：“李，你已经是这方面的专家了。”这位技术副总裁还指着李思敏对总裁说，某方案是李思敏发明的，“解决了我们一个关键问题” 。

回国后，李思敏任职的合资公司迅速完成了IGBT生产技术的消化吸收，准备量产，却也赶上政策巨变。

此前支持电子振兴的各大银行改制成商业银行，不再支持相关项目，电力电子中心参与的合资公司经营困难，给李思敏他们只发一半工资，允许他们自谋生路。

高端芯片90%依赖进口

李思敏深谙，作为科研者，必须与市场接触，否则只是纸上谈兵。

1996年，离开合资公司后的李思敏来到北大同学引荐的一个公司，进行基于自对准技术的半导体器件制造，出现问题卡了壳。该公司的老板基于商业考虑，透露出不愿意继续投钱的想法。

李思敏着急了三天，尝试各种方法。从前的学习和积累就像蛰伏的种子，不知几时春风一吹，这些种子便借着偶然的机会破土发芽。

从前的学习和积累就像蛰伏的种子，春风一吹便破土发芽。/Unsplash

李思敏突然想出了“多晶硅发射极联栅晶体管”的结构。

“这个不是日本人的GAT。日本人的GAT，元胞很大，成本高，拼不过双极管BJT。”李思敏说，自己研发的GAT，元胞只有双极管的1/10，管芯面积只有BJT的1/4。“当年（管芯面积）为BJT的1/3。”他补充道。

该公司使用李思敏的GAT技术生产节能灯，在上世纪90年代中后期钱特别值钱的年代，创造了1200万元的年营业额和300万元的年利润。2009—2011年，李思敏与珠三角一家公司合作，这家公司用李思敏的技术，生产销售GAT功率管过亿只。

李思敏本色上是科学家，不是商人，他不愿被上市、股权这些事过多分散精力。2012年，他成立了优捷敏半导体技术有限公司，2019年获得杭州青山湖科技城产业扶持，总部从北京迁往杭州。

由于心思都放在了科研上，李思敏没去路演募资，研发资金很紧张。为研发芯片，他卖掉了仅有的一套住房，租了熟人一个无电梯的五楼一居室。工作多年的女儿为了支持父亲，也卖掉仅有的一套住房，全部投入芯片开发和应用。

由于资金紧张，父女俩先后卖掉了自己的住房。/Unsplash

此前，飞利浦公司曾经想了解李思敏的GAT管技术和购买专利。这是一笔数目可观的资金。如果卖了，李思敏就成了富豪，但专利自此之后就跟自己无关了。李思敏没有同意出售。

为了掌握功率半导体全球前沿技术和最新动向，专利文献馆是他周日必去之处。

他连续10多年订阅了英国德温特专利文献。德温特专利文献是全球专利的集合和浓缩，一年发行50多本。

“跟功率半导体有关的，每一本有二三十页。”李思敏查看了上千份国际专利，把有用的都做了笔记，重要专利还查阅了原文。“我从中得到很多启发。”

李思敏先后研发了GAT管、GATH管，获得10多项中国专利，也正在申请国际专利。

李思敏的GATH管正在申请国际专利。/Unsplash

李思敏为GATH管的验证，奔走呼吁了3年。

电压型半导体器件已流行30多年。2018年，李思敏将前述的电流型器件IGCT做了结构创新，成为新型器件联栅晶闸管（Gate Associated THyristor ，简称GATH)。

IGCT由全球著名的机器人公司ABB于1997年最先提出。由于其开关速度慢、驱动功耗大，圆片管芯、应用领域受限等弱点，中高功率半导体器件领域由IGBT占据主流地位。

“IGCT的这些弱点,源于 IGCT 的元胞大(1mm),元胞内部的电流不均匀,内阻大,驱动困难。”李思敏说，他研发出一种联栅结构，能够把元胞尺寸缩小到跟MOSFET、IGBT差不多，从而解决IGCT的难题。

“联栅结构是功率器件芯片的新结构，突破了IGBT闩锁瓶颈、 ICGT的局限。”李思敏说，单项实验的结果表明，GATH的电流能力是IGBT的10倍，1200V IGBT的电流密度达到2000-2500A/C㎡就会闩锁烧毁，而1200V GATH的电流密度已经达到25000/C㎡ 。

大型项目像是高铁、电网，对半导体器件的首要要求是耐用。/Unsplash

“高铁、电网和轨道交通等大型项目，对半导体器件的首要要求是耐用。半导体器件烧毁的原因主要是电流密度过大。”李思敏讲，GATH的电流密度能够比IGBT大10倍，就相当于GATH的“防洪堤”比IGBT高10倍，也即GATH的耐用度至少是IGBT的10倍。

单项实验表明，GATH的开关速度跟IGBT差不多，比IGCT快10倍。“而且，GATH的开关控制也比IGCT简单得多，IGBT的驱动线路加一个转换接口即可。”李思敏说，同样的管芯面积，GATH的电流是IGBT的两倍，即芯片成本节约一半，芯片数量少用一半，节能省材，有助于绿色环保。

“我们做了GATH十几个品种，差不多都是一次成功，而且良率很高。”李思敏说，“这不是我们有什么本事。这个产品太好做了，推广起来很容易，不像IGBT需要很高的设备条件，差一点都不行。”

10多年之前，李思敏曾与美国硅谷的科学家同行们碰面。知道了他的试验结果之后，硅谷的科学家们很惊讶，想要做更深探讨，因为保密意识，李思敏并未深聊。“外国对技术非常敏感。”

外国对技术的敏感度很强。/Unsplash

既然成本更低、耐用性更强，为何技术在国内迟迟得不到应用推广？

“我们做的是基础创新。一个产业，还需要协同创新和系统创新。我们只有做芯片的能力。”李思敏说，芯片研发出来之后，还要封装模块、开发驱动线路，制作成整机，检测鉴定，然后进行市场推广。

“这是一个很大很复杂的生态系统。我们是无能为力的。”李思敏说。

高铁、风电等大项目的系统集成，非个人一己之力能为。“从电压型再换回电流型，线路和系统的整机测试，需要大公司或者国家支持才能做。”曾经赴美学习的李思敏感触很深，美国的产业链协同创新和系统创新已经配合很成熟，而国内缺乏这种协同创新。

这场变革的关键，是电压型占主导地位的半导体器件行业，敢不敢吃螃蟹，用改进的电流型器件做一次整机系统调整。

“没人愿意做第一个吃螃蟹的整机测试者。”李思敏说，即使整机测试效果好，这家企业还是吃亏，因为其他企业只要copy就行了。

在某种情形下，第一个吃螃蟹的企业总是吃亏的。/Unsplash

李思敏认识一些业界有名气的专家。他请业界大拿们鉴定一下GATH成果，让试验成果说话，专家们都不发声，“因为国外没有，国内也没有” 。

世界功率器件市场规模180亿美元，国内市场占一半以上。“但90%依赖进口，特别是高端芯片。”李思敏叹道。

李思敏反复提及高端芯片的应用领域：高铁、轨道交通、风电、电网、船舶、军工、大型设备等。这些行业是支撑工业强国的柱石行业。

没人知道GATH的命运将如何。

如果足够幸运，GATH有可能像《上帝会掷骰子吗》里提到的光的波粒二象两派之争，粒子派最后抬头，才有了量子力学出头之日，才有爱因斯坦和相对论的出世，物理学才从牛顿力学的宫殿中奔涌而出，向未知神秘的未来再进一步。

爱因斯坦涂鸦。/Unsplash

GATH整机试验前景不明，李思敏也没有闲着。他新开发出了取代MOS管的逆导型联栅晶体管（RCGAT），已进入流水线制造阶段，今年年底将面世。RCGAT是新能源电动车充电桩的核心零部件，可解决快充问题。

“国内尚未有真正30kw以上的快充功率器件。”李思敏说，珠三角一些制造商已经找上门来等流片了。

“最难的不是技术，技术的变革没那么复杂。最难改变的是观念。”李思敏指指头。