關於硅的講究

最新 07-11

中國文化中有許多特有的講究，比如飯局的座次代表了身份的高低。同樣地，在各種新興科技中，每一個環節的發展也蘊含著特殊的講究，每項技術的成熟絕非偶然。今天筆者就來講一講半導體行業中關於硅的講究。

講到半導體，很多人第一反應是收音機。在那個年代，家裡有台半導體收音機那就相當於現在有輛寶馬了吧。我們之所以叫它半導體是因為收音機裡面有許多晶體管負擔著諸如信號接收、放大等等的功能。所以晶體管的出現對於中國家庭來說，是從能聽到外面的世界開始的。

在晶體管出現之前，人們用的是真空管來完成類似的運算功能。

真空管體積龐大，運算緩慢。來給大家一個直觀的印象，下面兩張圖是我在加州山景城計算機歷史博物館拍攝的照片。左圖是一台真空管計算機，它佔據了整整一個房間的體積；而右圖是由晶體管組成的具有同樣計算能力的電路晶元，只有一個手掌大小。以硅為基礎的晶體管的出現不愧是機器計算的一大進步。因為有了晶體管，現在人手一隻的智能手機成為了可能。它給了商務人士隨處辦公的自由；女生們自拍以后豐富的美圖選擇；它也使人們看電視，聊天，生活管理等等成為一體。

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圖片均攝於美國加州山景城計算機博物館

晶體管的偉大是完全建立在它的骨架----硅之上的。它是一種單質半導體材料。為什麼人們會在千挑萬選之後選擇「硅」這樣一個聽起來有些陌生的名字呢？講究原來在這裡。

首先，硅是地殼上僅次於氧的第二豐富的元素。浩瀚的沙漠到海邊的沙灘都是它的蹤影，因為沙子的主要成分就是二氧化硅。這意味著什麼呢？我們有豐富的來源來製造晶體管，所以它實在太便宜了，也很方便進行量產。這也就是為什麼我們現在人人都用得起筆記本電腦和手機的原因。

其次，以硅為代表的半導體材料是一種很神奇的材料。之所以稱呼他們半導體，是因為它們的導電性介於導體（比如金屬）以及絕緣體（比如氧化物）之間。而這樣中庸的性質使得人們可以很方便的利用成熟的工藝技術改變它們的導電性，比如加入元素周期表中第三族（硼）和第五族（砷，磷）元素來提升硅的導電性，使它變得更像導體。這樣人們可以任意在硅上控制電流的走向，設計電阻的大小來控制電流的大小。

同時，人們還發現如果三族元素和五組元素摻入硅中相鄰的區域，會自動形成所謂的「二極體」結構，電流在這樣的結構里能做到方向性導通。這樣人們對於電子的控制更強了，複雜的電路結構和功能成為可能。而如果把三族元素區域夾在兩個五族區域之間（反之亦可），這樣的「三極體」結構還具有電流放大縮小的功能，更加豐富了硅上電路的設計可能性。

更重要的是，硅自己的氧化物——二氧化硅，是非常穩定的一種絕緣體。而且由硅生成二氧化硅十分便捷。這又意味著什麼呢？這給了後來場效應晶體管的普及鋪平了道路。人們可以因此很好地利用電場跨越二氧化硅絕緣體來控制硅中的電子，而同時不直接接觸硅而導致這些電子不必要的流動。數字邏輯集成電路應運而生。

硅的這些優點（大量，便宜，性能優異）使得大規模生產集成電路成為了可能，也就有了下圖中的這些布滿了集成電路的晶圓。每一塊像華夫餅一樣的晶圓上布滿了上億的晶體管，實現了複雜的運算功能與需求。這些晶圓切割以後即成為晶元，經過封裝等後期處理就成為了我們身邊電子設備中的重要組成部分。