物理学家杨振宁和半导体有哪些内在联系？

2025-10-24 09:43:11 14

杨振宁先生本人不是半导体行业的“工程人物”，但他与半导体之间有一种深层的、物理学基础上的联系——就像地基与高楼的关系：他打下的理论地基，支撑了后来整个固态电子学、半导体物理的框架。下面我们分几层来讲。

一、从物理原理上——他奠定了“量子场与对称性”的语言体系

半导体的一切，归根到底是量子力学在固体中的表现：电子能带、载流子输运、能隙、杂质能级……
而杨振宁对物理学的贡献，是把“对称性”和“场”的思想确立为现代物理的共同语法。

1954 年他与米尔斯（Mills）提出的 杨–米尔斯规范场论（Yang–Mills theory），虽然最初用于描述基本粒子相互作用，但它揭示了一个更广泛的思想：

“规律的本质，是局域对称性。”

在半导体里，这种思想以另一种形式出现：

换句话说：

杨振宁给出了现代物理描述“电子 .”的语法，这种语法也正是半导体理论的底层语言。

20 世纪 50–70 年代是半导体物理的黄金期：能带理论、pn 结、电输运、MOS 结构都在成型。
那一代做半导体的人，很多在量子场论和统计物理的训练下成长，他们直接受益于杨振宁这一类物理学家的启发。

比如：

杨振宁早期的统计力学与相变研究（如杨–李零点理论），对理解载流子浓度、相变、能带重构提供了数学框架。
他主张的“从对称性出发看物理”的方法，影响了后来的晶格群论、能带对称性分析、电子结构计算。
这些思想渗透进了半导体计算模型、能带工程、甚至 EDA 的物理内核。

杨振宁在普林斯顿、芝加哥、香港中大等地长期指导学生，其中不少人转向凝聚态、低维材料、量子器件方向。

他本人晚年对凝聚态物理、超导、拓扑物态的兴趣也很浓——这些领域正是“半导体+量子物理”的交汇地。
现在你听到的许多关键词：“拓扑相、Berry 相、规范场在固体中的实现”，都是在杨–米尔斯框架的语言里长出来的。

可以说：

如果没有杨振宁那一代人把“场论思维”带进固体物理，今天我们理解二维电子气、拓扑半金属，都会更困难。

杨振宁喜欢讲一句话：“物理学的美，是从对称性中生出来的。”
这句话放到半导体行业里，其实是一个很好的警醒：

半导体工程师常被日常数据淹没——厚度、掺杂、应力、阈值电压……
但所有这些现象背后，都在遵循几个最根本的“对称与破缺”的法则。
懂这些规律，才能“预见变化”，而不仅是“调参数”。

这其实也是杨振宁思想对半导体行业最深远的启发：

他让我们相信：工艺的极限，往往隐藏在物理的对称性里。

杨振宁和半导体的关系，不在于他造过晶圆，而在于他提供了晶圆 .的语言。
他让我们理解电子为什么能形成能带，为什么能在对称破缺的 .里流动、导电、发光。
没有那种层次的物理思维，半导体产业就少了“底气”——只有经验，没有原理。

如果把整个芯片产业比作一栋摩天大楼，材料科学、工艺工程是钢筋水泥；电路设计与算法是装潢与电力系统；杨振宁这一类理论物理学家提供的，是那根看不见的“力学规则”——告诉我们，这栋楼为什么能站得住。

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