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《硅火燎原》-5-点石成金精选

已有 15189 次阅读 2013-5-17 08:19 |个人分类:系列科普|系统分类:科普集锦| 半导体, 集成电路, 掺杂, PN结

5.点石成金-半导体的掺杂性

特斯拉梦想的那种取之不竭的能源，也可以靠太阳能电池来实现。太阳能电池大多数用的材料是‘硅’，因此，我们再返回到半导体特性的发现过程。

不同于半导体的姗姗来迟，人类使用金属的历史，可一直追溯到几千年前的青铜时代。虽然金属的最早用途，是作为工具和武器，但早在17世纪，欧洲科学家已经开始对金属的导电性能有所研究和认识，他们把电流能流过的物体称为导体，不允许电流通过的物体叫做绝缘体。

当然，在现代人眼中，导体和绝缘体的差别更清楚、更量化了。科学家们用一个数字：电阻率，来区分它们。电阻率表明了物体阻挡电流的程度。数字越小，说明越不阻挡，即电流越容易通过。比如，一般将电阻率小于十万分之一（10^(-5)Ω·m）的材料称为导体，如金属材料等。而将电阻率大于一亿（10^8Ω·m）的材料称为绝缘体，如陶瓷、橡胶、塑料等。

看了上面所说的导体和绝缘体的电阻率的大小范围，疑问自然就来了：导体的电阻率小于十万分之一，绝缘体电阻率大于一亿，中间还有这么一大段，是怎么回事呢？显而易见，物理学家们将那一段范围的电阻率，留给了他们所钟爱的半导体。

用电阻率来区分导体、半导体、绝缘体，使得它们的界限清楚，但同时却又使得它们的界限模糊。这是因为，某种物质的电阻率并非一成不变的，它们会随着温度、光照、种种外界条件的变化而变化。刚才将导体、半导体、绝缘体等物质进行粗略分类的电阻率，指的是常温下的数字。如果条件变化了，各种材料的电阻率会变化。也就是说，一定条件下，原来我们称之为半导体和绝缘体的东西，也有可能表现出导电的性能；原来导电的，也有可能变成不导电。

半导体之所以很晚才被人类所认识，原因之一是因为半导体的另外一个性质：掺杂性。

什么意思呢？就是说，只要半导体材料中加进了微量的杂质，就会使材料的性能有很大改变。而天然的沙子和石头中，虽然包含了大量的硅，但却是非常不纯净的材料，只不过是一块坚硬的石头。硅小姐并不单纯，入污泥而尽染！已经完全没有了原来的秉性。后来，科学家们发展了先进的提纯技术，材料的半导体特性，诸如前面所叙述的：热敏性、光敏性、整流性等等，才得以表现出来。

有趣的是，太纯净的硅，有时在应用上也不是最理想的。“水至清则无鱼，人至察则无徒”。如果在纯净的硅晶体中，人为地掺和一些杂质，会得到某些特别的性质，这就是我们下面要提到的PN结。

尽管很早就有了矿石收音机，但在上世纪40年代之前，无线电设备大多数使用真空管。因为当时的半导体（矿石）用起来，是如此的不稳定和神秘莫测，那根‘猫胡子’，需要在矿石上移来移去，仔细探索磨蹭老半天，才好不容易使收音机响起来。远不如真空管元件，使用起来既简单又可靠。特别是在1907年，美国发明家德福雷斯特（De Forest Lee），在真空二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从而发明了第一只真空三极管之后，这个三脚猫的功夫了得！它的放大作用和开关功能，是当时的半导体完全做不到的。

罗素（Russell Ohl）是美国新泽西州贝尔实验室的一位研究人员。他一直研究硅晶体，注意到硅材料对纯度的敏感性。特别是有一次，1940年2月23日那天，当他用猫胡子探测器的一个旧晶体做实验的时候，发现一个奇怪的现象。

那块旧硅片黑乎乎的，看不太清楚，总也调不出电流来。于是，罗素用手电筒照到硅片上，研究是怎么一回事？他注意到在硅片中间有条细小的裂缝，便用电筒的强光照过去。咦！奇怪的事情发生了：线路中接着的电流表使劲地跳动了一下。他连续地用光照射裂缝，电流表便连续指示出一个比罗素所期望的值大得多的数字！罗素又将线路中电源的极性反过来接，那样一来，电路就不通、电流表不动作了。

也就是说，这片硅晶体在光照下表现了整流性，而且，诱发的电流比纯净的硅晶体诱发的电流要大得多。实际上罗素发现，在光照时，裂缝的两边形成了一个0.5V左右的电压差，这是什么原因呢？

图5.1：a）罗素和Jack Scaff；b）PN结的形成；c）晶体管的发现者

当时，晶体管发明者之一的沃尔特•布拉顿解释了这个罗素认为古怪的现象。

沃尔特·布拉顿于1902年出生在中国南方美丽的城市厦门，因为他的父亲那时正在中国任教。布拉顿获得物理博士学位后，便在贝尔试验室研究真空管。他被梅文·凯利叫来看罗素的实验结果时，也感到很吃惊，不过，脑中立刻就想到了解释。

原因一定是在于硅片上的那道裂纹！裂纹使得晶体两侧的纯度不同，杂质也有所不同。因而造成了一侧有更多的自由电子，而另一侧则有更多的空穴。见图5.1b。由于电子空穴的异性相吸作用，它们的移动使得在中央裂纹处形成一个薄薄的电压差，这样，电子便只能在一个方向跨越电压差而流动。

后来，专家们把有过多电子载流子的半导体叫做N型半导体，有过多空穴载流子的半导体叫做P型半导体。当这两种形态的半导体接触在一起时，就形成了一个PN结。

在罗素的实验中，由于光照，电子从N型半导体中被踢出来，在一个方向（从n到p）形成电子流，这其实就是硅材料的光电效应，罗素所用的硅晶体，就是现代太阳能电池的始祖。

也就是从罗素发现PN结的那一天开始，贝尔实验室改变了对硅晶体的想法，谁知道呢，没准儿这小玩意儿还真能替代又大又重的真空管啊。

第二次世界大战更是突出了对半导体新材料研究的紧迫性，1945年夏天，贝尔实验室正式制定了一个庞大的研究计划，决定以固体物理为主要研究方向。这个计划直接导致了晶体管的发现。1948年，贝尔实验室的三个年轻人：威廉•肖克莱、约翰•巴丁、和沃特•布拉顿，成功地制成了世界上第一个半导体三极管。这个被称为“三条腿的魔术师”的东西，使他们获得了1956年度的诺贝尔物理学奖，也使人类迈向了一个崭新的固体电子技术时代。

再后来，肖克莱到加州创建硅谷，招聘人才，将神秘的硅火在硅谷点燃。

上世纪50年代开始，特别是当初号称‘八大金刚’的肖克莱的追随者们，创建了仙童半导体公司，发明了第一个实用的集成电路之后，半导体技术的发展如日中天。

集成电路的最早构想，是1952年由英国雷达研究所的电子工程师杜默（GeoffreyW. A. Dummer）提出来的。1958年，德州仪器公司的基尔比用一个硅片，成功地制造出了一个振荡电路，他用半导体作电阻，一个PN结作电容。因为这个简单线路的5个元件集在一个晶片上，所以成为了世界上的第一个集成电路。后来，仙童半导体公司的诺伊斯（RobertNoyce），利用蚀刻等方式，解决了集成电路中导线连接的方法，使集成电路真正走向实用。