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半导体工业的主角

查字典物理网 2012-12-29

和碳原子类似，硅原子有4个外层电子，这就决定了它的物理和化学性质。表面看去，晶体硅和金刚石很不相同。金刚石是透明的、硬度非常高的固体，而晶体硅则是灰黑色、有金属光泽、硬而脆的固体。但如果我们深入这两种物质的内部看看，就会发现它们的晶体结构（组成晶体的原子排列方式）是相似的：每1个原子都通过共价键同另外的4个原子相连。这就意味着每一对原子都共享有一个电子对。

由于晶体硅具有这种结构，所以就不会像金属那样存在很多可以自由移动的自由电子，每一个电子都是被牢牢地挂在两个原子中间。当然，如果我们将温度升高，有一些电子就会获得额外的能量而摆脱原子的束缚，可以在晶体中自由移动，从而使晶体发生一定的变化。但与金属相比，晶体硅自由电子的数量是微不足道的，并不能显著提高其导电性。所以，硅是一种半导体──它既不是完美的绝缘体，又不是很好的电导体，曾被认为是没有多大用途的材料。不过，随着对半导体性质的深入研究，人们掌握了改变半导体导电性能的诀窍──掺杂，半导体终于成为电子工业的主角。

所谓掺杂就是在高纯度的半导体晶体中掺入一些特定物质，从而使原有材料的导电性发生变化。通过掺杂，半导体的导电性就会大大提高。例如，可以向硅的晶体中掺入少量的磷（通常比例为八百万分之一）。这些掺入的磷原子会占据原来硅原子的位置，而且由于磷的最外层有5个电子，因此这些外层电子除了和周围的4个硅原子的电子配对形成共价键以外，还会多出一个电子。这个多余的电子就会在晶体中自由移动，使晶体导电。这种情景就好像在一个盒子的底部牢牢地镶嵌了一层玻璃球，而在这些排列有序的玻璃球中间，我们又外加了几个可以自由滚动的玻璃球一样。

通过掺杂这种手段，终于诞生了一个伟大的发明──晶体管。通过将硅晶体上很多晶体管连接在一起，就组成了集成电路芯片，它是所有电脑、“智能”家电和其他很多设备的核心。也许不是人人知道，在半导体工业发展的初期，唱主角的并不是硅，而是另一种半导体──锗。硅之所以能超越锗而占了上风，除了因为其资源极为丰富，易于获得外，还在于它很容易形成稳定的氧化硅薄膜。这种薄膜不但可以对芯片起到很好的绝缘和保护作用，而且很容易在芯片中产生绝缘区，这是因为氧化硅具有很高的化学稳定性，可以抵抗温度的急剧变化，使氧化膜下面的硅晶体得到很好的保护，而不会像氧化铁那样──铁锈只能使铁器的锈蚀情况更加严重。

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