都21世纪了，人们为什么还对半导体如此狂热？

我们已经知道,半导体之所以叫半导体,是因为它的能带结构介于导体和绝缘体之间。

(相关资料图)

它的导带和价带直接有着一个不那么宽的能隙,以至于不能像金属一样顺畅的导电,也不至于像绝缘体一样一生与电绝缘。

都说半导体是20世纪最伟大的发明，但凡事我们都得问一句"凭什么?"

"凭什么半导体就能成为20世纪最伟大的发明?"

"凭什么现在都不是20世纪了,人们还在为了半导体狂热?"

"凭什么美国的对华清单可以说完全就是为了针对半导体行业而准备的?"

这就要从200年前说起了。1821年,德国物理学家托马斯·塞贝克发现，当他将两种不同的金属构成回路,如果两种金属的温度不同,那么回路内会产生电流。这个效应被称为"热电效应",当时他只是认为这是不同金属性质带来的影响。

热电效应的原理也确实是因为不同金属之间有不同的自由电子密度,但由于金属间的差别非常小,

以他当时的观测手段可能热电效应产生的电流还没误差大。而真实的情况是,他当时使用的一块金属其实是半导体。

半导体在不同温度下有不同的自由电子密度,所以当产生温差时,电子会因为密度差迅速扩散,从而导致强烈的热电效应。

塞贝克的发现代表着人类第一次注意到半导体的存在,虽然当时指引的是特殊的金属。

随后的整个19世纪,包括法拉第在内的各路科学家们开始陆续报告奇特的金属行为,

比如法拉第报告说硫化银的电阻会在加热时降低,和普通金属相反。

1839年贝克雷尔发现的光伏效应也是半导体的独特效应。

1874年,24岁的德国小伙卡尔·布劳恩发现,如果将普通金属和前人发现的那些奇怪金属接在一起,

这个连接点可以使交流电进行整流,也就是将交流电转化为脉冲直流电。

这在后来被称为金属半导体节整流器,影响了整个人类进程。

不过他当时没在意,因为他对阴极射线更感兴趣。

1897年,布劳恩鼓导出了我们的老朋友,世界上第一台阴极射线管,并顺手搞出了示波器。

不过也就是在那年,他看到一个叫马可尼的意大利小年轻,发明出了一种能无线发射和接收信息的小玩意儿。

他也加入了对这个被马可尼称作无线电报的新奇玩意儿的研究。

最后由于杰出道马可尼都承认自己在后续研究中疯狂抱布劳恩大腿的贡献，布劳恩和马可尼在1909年分享了无线电报的诺贝尔物理学家。

当然,金属半导体结也没被遗忘。

1894年,印度的天降大佬,生物学家、植物学家、物理学家、考古学家和科幻小说家、贾格迪什·博斯发现,金属半导体结能将交流电转化为直流电的意思是,能让电流仅沿一个方向上传导,并且阻挡另一个方向的电流。

于是他设计出了整流器,并用于自己的微波实验研究。

这个整流器就是第一个半导体二极管。

由于它使用的是一根金属丝搭在方铅矿上,金属丝跟一根猫须一样,所以被称为猫须探测器。

随后,对无线电也感兴趣的博斯将猫须探测器装在了无线电报器上,用于接收无线电报器

当然,老规矩,博斯这种有副业的科学家自然也有点其他小成就。

由于他的老师是瑞利,跟汤姆孙是同门师兄弟,所以只能算副业植物学家。

这个印度猛男也就在自己的副业上发现了植物的神经机制,证明了植物刺激是电传导,发现了植物器官的疲劳反应,并写了几本科幻小说,被誉为印度和孟加拉的科研之父和科幻小说之父。

终于到了1910年前后,德国物理学家约翰·科里斯贝尔格和他的学生约瑟夫·魏斯才将这类诡异的金属单独分类出来,创造了"半导体"这个词来描述他们。

并随着1930年前后,认识物理学家菲利克斯·布洛赫对固体量子理论的建立和英国数学家亚兰·威尔逊对能带结构理论的建立,半导体终于成为了独立于金属和绝缘体的全新物质。

有了能带结构理论为基础,研究半导体就轻松太多了,物理学家们很快就总结出了半导体的主要性质。

半导体那个说宽不宽,说窄不窄的能隙,起到了决定性作用。

首先最重要的是,通过给半导体掺杂其他元素,可以轻易改变它的能带结构,从而改变其导电率,也就是变得更容易导电或者更不容易导电。

然后正如上文提到的,当半导体内有温差,也就是热平衡被打破的时候,半导体内部的电势差也会随之变得不平衡,导致内部电子被激发从而剧烈流动。

这些被激发的电子也能被很轻易的用于发光,导致半导体拥有发光的可能性。

最后,由于半导体强烈的热电效应,它也拥有高导热性和强热能转换性,这些静止导致半导体似乎可以被用在你能想到的一切地方。

于是1931年前后,德国物理学家沃尔特·肖特基和英国物理学家内维尔·莫特提出了新的金属半导体结理论,使得人们能够预测出结合了金属和半导体后二级管的能带变化,为未来材料的选择和新制半导体器件的发明铺平了道路。

莫特因此获得了1977年诺贝尔物理学奖,可惜肖特基于1976年去世,无缘了这个诺奖。

20世纪30年代至40年代间,前苏联发明家奥列格·洛舍夫提出了通过电致发光效应激发半导体中的电子使其发光的想法,这便是发光二级管LED的最初想法。

可惜的是,洛舍夫不久便在列宁格勒保卫战中牺牲,并没有完成这一伟大发明。

同样的,1930年,贝尔实验室的美国工程师拉塞尔·奥尔开始研究以硅为基础的太阳能电池。

硅是最早一批被确认的半导体之一,而且由于其满大街都是的风度以及相对容易获得的单晶,从20年代开始就成为了半导体器件研发的宠儿,基本上成为了所有半导体材料首选中的首选。

1939年,奥尔发现了硅的PN势垒,也就是我们熟知的PN结,再次改变了世界。

PN结半导体是一种复合半导体,一半是由掺杂了硼元素的硅晶体组成的P型半导体,另一半是由掺杂了磷元素的硅晶体组成的N型半导体。

硼元子和硅元子的外层电子形成的共价键中会缺失一个电子,导致空穴形成,使得P型半导体会更容易获得电子。

而磷元子和硅元子的外层电子组成硅甲件的时候会多出一个电子,所以N型半导体中存在大量的自由电子。

这导致两种半导体接触的时候,N型半导体中的自由电子会跑去和P型半导体中的空穴结合。

这么做的后果是,在两种半导体接触的地方,P型那边会形成一层带负电的区域,因为自由电子全跑中间来了,而相应的N型那边会形成一层带正电的区域,这两个区域一起被称为耗尽区。

而由于正负电荷差,耗尽区内会形成从N型区指向P型区的电场。

这也就导致了如果你想让外部电流通过PN结,电场会阻挡反向电流,所以PN节便形成了一个二极管,只允许单向电流通过。

当然,如果你强行施加大小超过阈值的反向电流,那电流也可以反着流,这被称为击穿,也是二极管的一个重要用法。

PN节的出现标志着现在半导体器件的诞生,现在我们使用的所有半导体产品都是基于PN结的运用。

奥尔也于1941年基于PN节开发出了第一个现代太阳能电池,他让太阳光轰击PN节,光子因为光电效应激发夹带上的电子到导带上去成为了自由电子。

这个电子因为耗尽区的电场而移动到了N型半导体那边,导致了电荷被更多的积累了起来。

如果用导线连接,电荷由于释放就能产生电流。

也同样是基于PN节带来的新型二极管,洛舍夫的发光二极管终于在1962年由美国德州仪器公司的美国工程师詹姆斯·比亚德和加里·皮特曼研发成功。