2005-05-09：半导体
连续 3 天没有上网，因为 C# 已经打了招呼，有事情要忙，想必是又跟佳人有约了。俺虽然一心惦记着研究尖端科技，可也不能全然不顾学业，老妈可是盯的紧呢。今天总算有些闲空儿，可以玩一玩电脑了。
我：“才来？这两天你们俩都去哪儿疯狂了？”
师：“我这两天在加班啊！你当我又去会佳人了？”
我：“哦？那师母可是怪可怜的，孤单单的啊。”
师：“她不可怜，仨好的俩厚的陪着四处游玩，充实着呢。我们同事比较惨，五一根本没休，一直忙。”
我：“做电子或者计算机这一行是不是很苦啊？经常加班？”
师：“市场压力大，新的东西出的快了点，所以总要忙。”
我：“那我得考虑考虑，将来是不是要干这行。”
师：“你还有得是时间考虑。今天我们要研究一些尖端技术：半导体。”
我：“我等到花儿都谢鸟，总算有点上难度的了。”
师：“你以前对‘半导体’有什么了解吗？”
我：“没有。我们初中物理老师给介绍过一点儿。半导体就是导电能力介于导体和绝缘体之间的东东。”
师：“导电能力介于导体和绝缘体之间。你对这句是怎么理解的？”
我：“就是这东西能够导电，但又不像铜啊铝的那么容易导电，就是电阻比较大一点吧？”
师：“其实这句话说得有点笼统，所以你也无法做到正确地理解半导体。”
我：“这就是你的不对了，明知道这句话笼统还问我是怎么理解的。”
师：“先别急，我们拿‘硅’做个例子，把半导体的性质讨论一下。”
我：“半导体不就是‘硅’吗？难道还有别的？”
师：“ ‘硅’只是半导体材料的一种，当然还有别的。你怎么会认为半导体就是硅呢？”
我：“不是有个地方叫 ‘硅谷’ 嘛，那地方咋偏叫‘硅谷’呢？应该叫‘半导谷’才对啊。”
师：“你可真行。我且问你，你叔叔自己做的第一台收音机你有印像吗？”
我：“他做那玩意儿的时候还没我呢。我老爸印像深刻，那是一台 ‘矿石收音机’。我爸直到现在还留着呢，我没听它响过。”
师：“没听过也应该意识到那个 ‘矿石’ 就是一种半导体啊。”
我：“别说，还真没意识到。那么土的东西也是尖端技术啊？”
师：“那个 ‘矿石’ 是 ‘方铅矿’，化学成份是 ‘硫化铅’。现在它不算尖端科技了，但是尖端科技是从研 究这些很土的东西起步的。”
据说黄铁矿也可用于制作矿石收音机，我不太确定。
我：“长见识了，你是头一个告诉我那个东东叫 ‘方铅矿’的。”
师：“我们还是谈谈‘硅’，这个元素在地球上含量极多，可以说到处都是。”
我：“有那么多吗？太夸张了吧？”
师：“沙子里面含有大量的‘二氧化硅’，你说这种元素多不多？”
我：“我又长见识了，玩高科技就是玩沙子啊？！”
师：“呵呵，还真就是这样。沙子也有不同的玩法，你这水平的只会撒尿和泥。”
我：“歇吧，我小时候可没干过这个。”
师：“研究半导体的人把硅从沙子里提纯出来，弄的很纯很纯很纯很纯很纯很纯，纯度达到
我：“九个 9，这个我印像深，当初我们物理老师说到这个百分数眼里直放光，尖端啊。”
师：“九个 9 不算什么，还有十一个 9 的。这么纯的半导体材料叫做 ‘本征半导体’，你想知道它的导电能力如何？”
我：“我想知道它为什么叫‘本征’半导体？”
师：“你又开始抠字面，这就是起的一个名字而已。本征半导体导电能力很差，几乎就不能导电。”
此种说法存在缺陷。
我：“那这是半导体啊还是绝缘体啊？”
师：“它也不是永远不能导电，你可以用光照射它，或者给它加热，它的导电能力就会明显改变。”
谈论本征半导体的导电能力要附加条件，直接就说 ‘几乎不能导电’是不合适的。
我：“放太阳底下晒它一天一夜它就老实了，呵呵。”
师：“所以我们不能简单地说 ‘半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间’，应该说半导体的导电能力就像墙头草，它可以偏向绝缘体，也可以偏向导体，全看你用什么手段整治它。”
以上仅是作者个人的一些理解，有待商榷。
我：“那这些整天玩沙子的科学家都有些什么新鲜的手段？”
师：“想知道科学家怎么玩，要先弄清楚 ‘本征半导体’究竟是个什么结构。收图吧。（figure0057）”
我：“眼熟，好像一个钻石？”
师：“这就是一个钻石，是碳的单晶体。”
我：“不带这么忽悠人的好吗？”
师：“没找着硅单晶的图，搜一个钻石的图片凑合一下，都差不多。”
我：“差多了老大。”
师：“硅原子最外层有 4 个电子， 本来不是稳定的结构。不过从这个图中可以看到，每个硅原子都和相临的 4 个硅原子‘手牵手’。”
我：“硅‘单晶’是个什么东东？”
师：“先不管‘单晶’，我们可以看到最外层的每个电子都与相临原子的最外层电子结合在一起，这在化学上叫做 ‘共价键’，这两个电子实际是同时绕着两个原子核运动的。”
我：“4 个共价键的话，那相当于每个原子最外层都有 8 个电子绕着跑了？这就算稳定了？”
师：“是的，所以‘本征半导体’有点像绝缘体，导电能力很差。”
师：“但这些硅原子又不是绝对稳定，只能算 ‘凑合’。共价键中个别电子还是会偶尔跳出来成为自由电子（figure0058），这种情况是随着环境条件变化而变化的。”
我：“光照或加热能促使更多的电子跳出共价键，所以导电能力就发生了很大变化，对否？”
师：“对，少了电子的共价键中多了个‘坑’，周边其它电子可能会跳进来把‘坑’填上，然后又可能跳出去填进别的‘坑’里，从外部观察似乎这些坑也在运动着。”
我：“一个萝卜一个坑，改种菜了哈。”
师：“这些‘坑’被称为‘空穴’，玩沙子玩的是什么？玩的就是‘电子’和‘空穴’。”
我：“那么要怎么样来玩呢？”
师：“我们可以在本征半导体中掺点假，比如在纯净的硅中掺少量的磷进去。”
我：“必须掺磷？味精加白糖不行吗？”
师：“磷原子最外层有 5 个电子，少量的磷原子夹杂在硅原子之间，它们也和硅原子以共价键连接，这只用了 4 个外层电子，还剩一个电子，这个电子成了一个自由电子。（figure0059）”
我：“这帮玩沙子的还挺会琢磨，这也想得出来。”
师：“掺了磷的硅由于有了很多的自由电子，所以它的导电能力可是极大的增强了，强的有点像导体。我们 将这种多出了很多自由电子的半导体称
我：“这个 E 文词眼熟。”
师：“除了掺磷外，我们还可以在硅中掺入硼，硼原子最外层有 3 个电子，它和硅原子以共价键相连接刚 好亏一个电子，这形成了一个天然的‘空穴’。（figure0060）”
我：“那这个东西还是导不了电啊，没自由电子。”
师：“你首先应该看出原子最外层只能有 7 个电子对不？它们不是最稳定的。”
我：“那它们就能导电？也不是吧？也算接近稳定的。”
师：“实际上这些坑容易被其它电子占了，若某个电子占了人家一个坑，那它自己又制造出一个坑来。”
我：“就是说这些外层电子们虽然不是绝对自由，可也没闲着，打一枪换一个地方，不停地换坑？”
师：“是啊，从宏观上看这些坑似乎也在非常活跃地运动着。实际上大量的空穴可以为自由电子的运动提供一条通道。”
师：“不过电子想从这种空穴通道中过去，只能老老实实地一个坑一个坑的跳，沿着定好的路线走。”
是否确实是这种运动规律有待探讨。
我：“我查了 Negative 这个词，是‘负’的意思，因为电子带负电，所以电子多的半导体叫‘
师：“你没查过‘负温度系数’吗？”
我：“查过，要不怎么感觉这词眼熟呢。就是没记住。
师：“自由电子多的半导体叫
师：“
我：“搞不明白既然要掺杂质，那是先提纯到九个9 又是为何？自讨苦吃？”
师：“我刚说过掺入的杂质是 ‘少量’ 的，不妨按重量来说，假如
我：“这里也有个误差问题？”
师：“重量上差那么一丁点，获得的自由电子总数量会差上多少呢？百八十万个算不上夸张吧？”
我：“是，电子实在是太小了。这个有误差会出啥问题吗？”
师：“有问题啊，用半导体制造同一种电子器件，永远不会有两个完全一样分毫不差的。即使是同一个工厂同一批器件同一天同一时刻制成的，也找不出两个完全一样的。”
我想大家已经注意到了，提及半导体材料制成的电子零件，我们常使用“器件”一词，非半导体材料制成的零件，则称为“元件” ，这是约定俗成的说法。
我：“不一样就不一样呗，电阻器不也个个都不一样吗？这也没什么关系吧？”
师：“关系大了，半导体器件的差异，不是用
我：“这么严重啊？那这玩意儿能使吗？我造电视机，前 10 台好好的，后 10 台不出影儿，只因为一个半导体零件是新一批制造的，和前 10 台所用的不一样？”
师：“你肯定受不了这事对不？所以早期半导体制造厂努力解决的一个问题就是如何成批生产出性能大体上一致的器件。把原材料提纯到 99.9999999%就是一个关键，没有办法允许原料里面含有我们不知道是 什么的东西。”
我：“要这样看这个 ‘一致’ 的问题已经解决了吧？这么多年了。”
师：“没有完全解决，只能说‘凑合能接受’。你以后接触到实际器件的说明书就知道怎么回事了。”
我：“听你这么一说我都不敢再买电器了，怎么那么悬啊？”
半导体器件性能参数过于分散的缺点，可以通过一些电路设计技巧加以克服，以后会有讨论。
师：“先不说这个了。还有最后一个知识点要记住：‘本征’半导体的一个性质在‘杂质’半导体中仍然存在，就是‘共价键’中的电子偶尔会跳出来成为自由电子。知道这意味着什么吗？”
我：“是不是说
师：“对，相对于
我：“那么
师：“把筢子放下吧，别搂了。就是这个样子。”
我：“明白啦。再见，晚安。”
师：“你怎么知道我这就要走？”
我：“你说的，最后一个知识点啊？”
上过今天这一课，我隐约有了一点感觉：如果用半导体材料做成一个电阻的话，它应该是“光敏”的，也就是说光照到它身上它的电阻就会减小，光照越强它的电阻就会越小，因为光照促使更多被共价键绑住的电子变自由了，导电能力就会增强。
那么它会不会是 “热敏” 的呢？如果受热也导致更多被共价键绑住的电子变得自由，那它就应该是 “热敏” 的，而且，它是“负温度系数”的诶？！温度高了电子变得活跃，它导电能力是增强的，所以电阻应该是减小的，这跟灯丝受热后电阻变大不一样啊？
放狗搜了一下“硅单晶”，倒是找到了一些名词解释，什么“具有完整的点阵结构的晶体”之类，也弄不明白是怎么个意思，不过 “单晶硅” 还真是具有金刚石那样的结构，它的导电能力确实是随温度升高而增强的，这证实了我刚才对“热敏电阻”的猜测。而且我还知道了“多晶硅”这么个东东，还查到了半导体材料中有一种叫做“锗”的，这个东东好像少有人提起诶？
还有什么其它的半导体材料吗？查了下“元素周期表”，那个“硫化铅”距离“硅”和“锗”不远诶，这玩意儿能当半导体使，恐怕不是没有缘由的吧？继续搜索了 “半导体材料”，发现很多半导体材料在 “元素同期表”上都围绕在“硅”和“锗”的周围，连“锡”都具有半导体的形态，只是不稳定。“碳”竟然也算半导体材料，难道说 C# 找了一颗钻石的图冒充硅单晶也不是差很多啊？看来这些年围绕着“半导体”人们已经找到了相当多的材料了，还有什么东西等着我去发现吗？
再次搜索“电子 空穴”，这回找出来一个比较唬人的名词——载流子，意思大概是说电子和空穴都能“运载”电流吧，这让我觉得有点难受。至于那些什么“禁带”、“导带”、“跃迁”之类的就完全不知所云了，看来咱这点水平，也就到这儿了，就别指望还有啥新东西留给我去发现了吧。