半导体工业的主角

像碳原子一样，硅原子有四个外部电子，这决定了它的物理和化学性质。从表面上看，晶体硅和钻石非常不同。钻石是一种具有很高硬度的透明固体，而晶体硅是一种灰黑色的金属硬而脆的固体。然而，如果我们观察这两种物质的内部，我们会发现它们的晶体结构(组成晶体的原子排列)是相似的:每个原子通过共价键与另外4个原子相连。这意味着每对原子共享一个电子对。因为晶体硅具有这样的结构，所以不会有很多像金属一样*移动的*电子，每个电子都牢牢地挂在两个原子之间。当然，如果我们提高温度，一些电子将获得额外的能量，摆脱原子的束缚，并能在晶体中*移动，从而引起晶体的某些变化。然而，与金属相比，晶体硅中*电子的数量可以忽略不计，并且不能显著提高其导电性。因此，硅是一种半导体——它既不是完美的绝缘体，也不是好的电导体，曾经被认为是一种用途很少的材料。然而，随着对半导体性质的深入研究，人们已经掌握了改变半导体导电性的诀窍——掺杂，半导体最终成为电子工业的主角。

所谓掺杂就是将某些特定的物质掺杂到高纯度的半导体晶体中，从而改变原始材料的导电性。通过掺杂，半导体的导电性将大大提高。例如，少量的磷(通常是八百万分之一)可以加入到硅晶体中。这些掺杂的磷原子将占据原始硅原子的位置，并且由于磷的最外层具有五个电子，除了与周围四个硅原子的电子形成共价键之外，这些外层电子还将具有一个电子。这些多余的电子将在晶体中*移动，使晶体导电。这种场景就像一层玻璃球牢牢嵌在盒子的底部，在这些有序的玻璃球中，我们添加了几个可以*滚动的玻璃球。

通过掺杂这种方法，一项伟大的发明——晶体管终于诞生了。通过将硅晶体上的许多晶体管连接在一起，就形成了集成电路芯片，它是所有计算机、“智能”家用电器和许多其他设备的核心。也许不是每个人都知道，在半导体工业发展的早期阶段，起主导作用的不是硅，而是锗，另一种半导体。硅比锗占优势的原因不仅在于其丰富的资源和易得性，还在于其易于形成稳定的氧化硅膜。这种薄膜不仅能对芯片起到很好的绝缘和保护作用，而且能很容易地在芯片中产生绝缘区域。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，因此氧化膜下的硅晶体可以得到很好的保护，而不像氧化铁那样——铁锈只会使铁的腐蚀更加严重。