1.5 点石成金

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器时代。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10万分之一（10-5Ω·m）的材料称为导体，如金属材料等；而将电阻率大于1亿（108Ω·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范围，疑问自然就来了：导体的电阻率小于10万分之一，绝缘体电阻率大于1亿，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，使得它们的界限看上去清楚，但同时却又使得它们的界限变得模糊起来。这是因为，某种物质的电阻率并非一成不变，它会随着温度、光照等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。如果这些条件变化了，各种材料的电阻率就会发生变化。也就是说，一定条件下，原来我们称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。例如我们在本章的前面几节曾经介绍过的，半导体公主们具有天生的过敏体质，对很多东西都敏感，包括热、光、电流方向等。因此，当环境中的这些因素变化之后，半导体材料便可能从绝缘体成为导体。

半导体公主们还有另外一个重要的敏感特性——掺杂性。也正是这个特性，使得硅美人在黄土中昏睡百年却未被人认识。

为什么这样说呢？因为所谓“掺杂性”的意思是说，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硅材料，看起来和用起来，都只是黄沙一片，或者是一块坚硬的石头。睡美人不再单纯，入污泥而尽染！已经完全没有了纯净原材料的秉性。有谁能认识她呢？直到后来，科学家们发展了先进的提纯技术，硅材料的半导体特性，诸如前面所叙述的各种过敏性——热敏性、光敏性、整流性等，才能表现出来，半导体公主们也才得以尽展风韵，为人所知。

有趣的是，真叫做“水至清则无鱼”，太纯净的硅，虽然敏感，有时在应用上却不是最理想的。科学家们发现，如果提炼出了纯净的硅晶体后，再在其中人为地掺和一些特别的杂质，将会得到某些特殊的有用性质，这就是我们下面要介绍的PN结。

尽管很早就有了矿石收音机，但在20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地仔细探索磨蹭老半天，才能使收音机响起来，远不如真空管元件使用起来既简单又保险。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，这个玻璃三脚猫的放大作用和开关功能，使得当时的半导体器件完全望尘莫及。

不过，醒过来的硅将这一切看在眼里，暗自发笑：别得意太早了！别看我们现在只是石头，但点石成金的日子已经离得不远，人类终将会认识我们的优越性。有一天，睡美人突发奇想：“且让我先到这个著名的贝尔实验室里，点上一把小火试试！”

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，并且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，当他用猫胡子侦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：线路中连接着的电流表使劲地跳动了一下。于是，他连续地用电筒光照射晶体及裂缝，电流表便连续地指示出一个比罗素所期望的值大得多的数字！然后，罗素又将线路中电源的极性反过来接，电路却不通，电流表也不动了。

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。罗素继续用光照来研究这片硅晶体，反复实验和测量后发现，在光照时，晶体的两边形成了一个0.5V左右的电压差，这是什么原因呢？

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，当时他的父亲正在中国任教。在美国长大的布拉顿获得物理博士学位后，便一直在新泽西的贝尔实验室研究真空管。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，他脑中立刻就想到了答案。

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1.5.1（b）。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。

图1.5.1 PN结

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。

果然不出硅美人所料，这把小火照亮了决策者们的眼睛。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，贝尔实验室正式制订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”的小东西，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。

从20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（Geoffrey W.A.Dummer）提出的。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个元件集中在一个晶片上，所以成为世界上的第一个集成电路（图1.5.2）。后来，仙童半导体公司的诺伊斯（Robert Noyce）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。

图1.5.2 基尔比和诺伊斯发明了集成电路

从发现、提纯、掺杂，到PN结，再到晶体管，最后到集成电路以及目前包含几十亿个元件的超大规模集成电路，半导体材料走过了一个漫长的历史，这是一个真正点石成金的过程。如今，睡美人眼中闪烁的硅晶之火，已在全世界掀起燎原之势，蔓延成熊熊烈焰，为人类开辟了一个计算机、通信、电子时代的新纪元。