奇妙的半導(dǎo)體

賈敏

三年以前，莫斯科附近的一個(gè)工廠制造出了一批非常輕巧的發(fā)電器，它可以方便地套在煤油燈的玻璃燈罩上面，不用笨重復(fù)雜的機(jī)器設(shè)備，也不用燃料，只靠煤油燈的熱，就能發(fā)出電來(lái)足夠一架普通的收音機(jī)的應(yīng)用。（見(jiàn)圖一）。

去年，蘇聯(lián)的有些城市的街道上，出現(xiàn)了這樣一種路燈，這種路燈沒(méi)有什么電線通向電源，可以說(shuō)是自己就會(huì)發(fā)光的。而且天一暗下來(lái)自己就會(huì)自動(dòng)發(fā)光，照明街道，天亮了也會(huì)自動(dòng)“關(guān)上”，不用人管理。

更有趣的，還出現(xiàn)了一種沒(méi)有真空管的收音機(jī)，只有一兩斤重，小得可以放到口袋或衣袖里去，用起來(lái)真是像小筆記本那么方便。不論你走到那里，就是到了荒山或沙漠地帶，只要你高興，就可以拿出來(lái)聽(tīng)北京的廣播，莫斯科的音樂(lè)。……

說(shuō)到這里，或許讀者要問(wèn)，怎么會(huì)出現(xiàn)這樣的“奇跡”呢？原來(lái)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了某些物質(zhì)的特性，利用這些物質(zhì)就可以發(fā)電不用機(jī)器，可以自動(dòng)控制機(jī)器，可以用來(lái)代替無(wú)線電的電子真空管，還可用來(lái)作其他許多奇妙的東西。

這些物質(zhì)就叫做“半導(dǎo)體”。

什么叫半導(dǎo)體？

把物體分為導(dǎo)體與非導(dǎo)體是很早以前的事了。誰(shuí)都知道，能導(dǎo)電的銅、銀等金屬元素叫做導(dǎo)體；玻璃、木頭、橡皮等物質(zhì)不能導(dǎo)電，就被稱為非導(dǎo)體（即絕緣體）。

半導(dǎo)體是介於導(dǎo)體與非導(dǎo)體之間的物質(zhì)，既不像導(dǎo)體那樣容易導(dǎo)電，又不像非導(dǎo)體（絕緣體）不能或者說(shuō)幾乎不能導(dǎo)電。像矽、鑰、碲、硼、砷、磷以及不少的氧化物與硫化物都是半導(dǎo)體。目前應(yīng)用最普遍的和最重要的是：稀有金屬“鍺”和世界上數(shù)量最多的“矽”。

半導(dǎo)體所以能夠創(chuàng)造許多奇跡，不僅因?yàn)樗膶?dǎo)電能力介於導(dǎo)體與非導(dǎo)體之間，更重要的是它的導(dǎo)電能力與光和熱有著極其密切的關(guān)系。當(dāng)半導(dǎo)體的溫度增高或受光線照射較強(qiáng)時(shí)，它的導(dǎo)電能力就顯著增加；反之，溫度降低或光線照射較弱時(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就急劇減少。而導(dǎo)體與非導(dǎo)體則沒(méi)有這種特性。這也就是半導(dǎo)體不同於其他物質(zhì)的最主要的特性。

為什么半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介於導(dǎo)體與非導(dǎo)體之間？為什么會(huì)因光和熱的變化而改變自己的導(dǎo)電能力呢？

原來(lái)，任何物體都是由許許多多原子構(gòu)成的。每個(gè)原子都是由一個(gè)原子核和圍繞著原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的一定數(shù)量的電子組成。在非導(dǎo)體中電子和原子核結(jié)合得非常牢固；而在導(dǎo)體中，幾乎全部電子與它的原子核結(jié)合很不牢固，甚至能離開(kāi)原子核而自由地在導(dǎo)體內(nèi)跑來(lái)跑去。這種電子叫做“自由電子”。所謂電流現(xiàn)象，就是許多電子順著一定的方向流動(dòng)。所以，當(dāng)兩個(gè)不同電壓的電極中間連以導(dǎo)體，導(dǎo)體中的“自由電子，”就向一定方向移動(dòng)，把電由一極導(dǎo)向另一極，這就是產(chǎn)生了電流。如果連以非導(dǎo)體，因?yàn)闆](méi)有“自由電子”就沒(méi)有電子的移動(dòng)，也就沒(méi)有電流現(xiàn)象。導(dǎo)體所以能導(dǎo)電，非導(dǎo)體所以不能導(dǎo)電，道理就在這里。半導(dǎo)體中的電子與原子核的結(jié)合既不像導(dǎo)體那樣松弛自由，也不像非導(dǎo)體那樣牢固。因而它們的導(dǎo)電能力也就介於導(dǎo)體與非導(dǎo)體之間了。

我們知道，任何物體內(nèi)的原子都是不停地振動(dòng)著；物體受光和熱多時(shí)，原子振動(dòng)劇烈，受光和熱少時(shí)則振動(dòng)緩慢。當(dāng)半導(dǎo)體中的原子在光和熱的影響下振動(dòng)劇烈時(shí)，它們周圍的電子就互相碰撞，有些電子與原子核結(jié)合得不甚牢固，於是就被撞出來(lái)成為“自由電子”；在受到光和熱較少時(shí)，原子振動(dòng)緩慢，就很少有電子被撞出來(lái)。這就是為什么半導(dǎo)體因光與熱的強(qiáng)弱多寡而增加或減少導(dǎo)電能力的緣故。導(dǎo)體中本來(lái)就有自由電子，光與熱對(duì)它的影響不大；非導(dǎo)體中的電子與原子核結(jié)合得非常牢固，不管原子振動(dòng)怎樣劇烈，電子也很難被撞出來(lái)。所以它們就沒(méi)有或者極少隨著光熱的變化而改變自已導(dǎo)電能力的特性。

根據(jù)這些特性，就可以讓半導(dǎo)體幫助我們做許許多多的過(guò)去不能做的事情。

發(fā)電不用機(jī)器

在任何一個(gè)發(fā)電站里，不論它的動(dòng)力是水力、火力還是原子能，都要具有龐大復(fù)雜的機(jī)器設(shè)備。

可是，半導(dǎo)體卻幫助我們不用機(jī)器也能夠來(lái)發(fā)電。我們把兩塊半導(dǎo)體用導(dǎo)線連接起來(lái)，把其中一塊加熱，於是這塊半導(dǎo)體內(nèi)就產(chǎn)生了很多“自由電子”，與未加熱的一塊，就形成了一個(gè)電位差，這樣，溫度高的那塊半導(dǎo)體內(nèi)的“自由電子”，就向溫度低的那塊半導(dǎo)體流去，電流就產(chǎn)生了。我們只要把兩塊半導(dǎo)體的另外兩端裝上電極聯(lián)以導(dǎo)線，并保持這兩塊半導(dǎo)體之間的溫度差，這一些簡(jiǎn)單的東西就成為一個(gè)完整的半導(dǎo)體發(fā)電器了。

利用半導(dǎo)體來(lái)發(fā)電，會(huì)使整個(gè)電力工業(yè)引起革命。首先，我們能夠直接利用熱能來(lái)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)了許多年來(lái)的蘿想。過(guò)去，工廠里的熱能有80％從鍋爐的煙囪中逃逸出去，要是利用半導(dǎo)體就可以把這些熱能變成電能。其次，“半導(dǎo)體發(fā)電器”不需要火力發(fā)電那樣的鍋爐、輸機(jī)等一套龐大的機(jī)器，使發(fā)電成本大為降低。而且這種“半導(dǎo)體發(fā)電器”特別方便，最輕巧的可以放到一盞煤油燈的燈罩上，利用煤油燈散發(fā)出來(lái)的熱發(fā)出的電力足夠供給一架收音機(jī)的使用。蘇聯(lián)已經(jīng)大量生產(chǎn)這種精巧的發(fā)電器了。

光與熱一樣，對(duì)半導(dǎo)體是有影響的，因而使我們有可能直接利用太陽(yáng)光來(lái)發(fā)電了。目前已有這樣的半導(dǎo)體，在陽(yáng)光照射之下，每一平方公尺大小就能發(fā)出50—100瓦的電力，能夠點(diǎn)亮一盞五十支光的電燈。用半導(dǎo)體制成的路燈，在白天能把太陽(yáng)光變成電能儲(chǔ)蓄起來(lái)，到晚上就用這些電能來(lái)照明，使整個(gè)城市大放光明。

半導(dǎo)體通電后，一端就強(qiáng)烈地發(fā)熱，另一端卻冷得結(jié)冰，所以半導(dǎo)體可以制成裝置簡(jiǎn)單經(jīng)久耐用的電冰箱，它耗電極少，效能很大。這種裝置與暖氣設(shè)備結(jié)合起來(lái)，不用燒鍋爐，一年四季可以自動(dòng)地調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度，夏天變得涼爽，冬天溫暖如春。

靈敏的“電眼”

我們只知道電會(huì)發(fā)光發(fā)熱，難道電還會(huì)看東西嗎？真的，電也會(huì)“看”東西的。我們現(xiàn)在已經(jīng)可以根據(jù)半導(dǎo)體跟熱和光有極其密切的關(guān)系這個(gè)特性用來(lái)制造極其精密的儀器和自動(dòng)控制裝置了，事實(shí)上這種儀器和自動(dòng)控制裝置在某些方面比人眼的本領(lǐng)還要大得多呢！

我們知道，腫瘤在目前仍然是嚴(yán)重威協(xié)人類生命的疾病之一，其主要原因是病人在生病初期，毫無(wú)征象；雖然腫瘤部分的溫度稍微有些增高，但是病人根本覺(jué)察不出來(lái)，一般的溫度計(jì)也量不出來(lái)。而當(dāng)病人感到有病的時(shí)候，往往已到了病情嚴(yán)重難以醫(yī)治的程度?，F(xiàn)在利用半導(dǎo)體做成的只有針頭大小的溫度計(jì)，卻完全可以測(cè)量初期腫瘤的些微溫度變化，因而能使病人得到及時(shí)治療。這種溫度計(jì)非常非常靈敏，就是一度的百分之幾的溫度變化也能測(cè)量出來(lái)，這是因?yàn)榘雽?dǎo)體對(duì)熱有極其強(qiáng)烈的反應(yīng)，即使些微的溫度變化，也能引起半導(dǎo)體內(nèi)電流強(qiáng)度的變化的緣故。

同樣道理，我們可以利用半導(dǎo)體來(lái)幫助我們測(cè)定地球表面、土壤和植物葉子的溫度，測(cè)定電線在不同情況下的強(qiáng)度和溫度。可以用來(lái)測(cè)知在半公里以外是不是有人來(lái)，因?yàn)槿艘彩且粋€(gè)發(fā)熱的熱源。還可以用來(lái)自動(dòng)控制機(jī)器的生產(chǎn)，例如，自動(dòng)調(diào)節(jié)鍋爐的燃燒情況：把半導(dǎo)體的裝置和加燃料的機(jī)器聯(lián)結(jié)起來(lái)以后，如果爐子溫度增高了，半導(dǎo)體內(nèi)的電流就加強(qiáng)，促使加燃料的機(jī)器的電流中斷，暫時(shí)停止加燃；相反，溫度降低，半導(dǎo)體就會(huì)使加燃機(jī)恢復(fù)加燃工作。

半導(dǎo)體不只是使人增加了一只精確地覺(jué)察溫度的眼睛，而且還給人增加了一只精確地覺(jué)察光線的眼睛。前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，半導(dǎo)體對(duì)光也有強(qiáng)烈的反應(yīng)。在不受光照射的時(shí)候，半導(dǎo)體實(shí)際上是不通電流的，光線加強(qiáng)，電流也就隨著加強(qiáng)。因而可以用半導(dǎo)體來(lái)辨別光的強(qiáng)度，分析顏色，發(fā)現(xiàn)肉眼看不到的放射線，甚至幾十公里以外的放射線也可看到。也可以用來(lái)制造自動(dòng)裝置，例如制造自動(dòng)計(jì)數(shù)器：我們把半導(dǎo)體裝置在工廠中的產(chǎn)品自動(dòng)傳送帶的地方，每當(dāng)一件產(chǎn)品經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體的時(shí)候，就擋住了照在半導(dǎo)體上的光線，半導(dǎo)體的電流也就中斷；產(chǎn)品通過(guò)后，光線又照到半導(dǎo)體上，電流也就恢復(fù)。因而可以正確而又迅速地計(jì)算出產(chǎn)品的數(shù)量（見(jiàn)圖二）。在工廠中還可以制造出這樣一種自動(dòng)裝置，工人在生產(chǎn)時(shí)一接近危險(xiǎn)圈，機(jī)器就會(huì)自動(dòng)停頓下來(lái)，以保證工人的安全。因?yàn)楫?dāng)時(shí)半導(dǎo)體所受的光線被遮住了，電流也就馬上中斷，促使機(jī)器停止工作。而當(dāng)工人離開(kāi)危驗(yàn)圈后，機(jī)器又會(huì)自動(dòng)開(kāi)動(dòng)起來(lái)。同樣道理，我們可以利用半導(dǎo)體廣泛地制造其他自動(dòng)控制裝置，如自動(dòng)開(kāi)關(guān)電路，自動(dòng)開(kāi)關(guān)街上的路燈，自動(dòng)開(kāi)關(guān)門戶等等。

精致的整流檢波器

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，我們對(duì)直流電的需要將

越來(lái)越大。例如電車、電力機(jī)車、電鍍、無(wú)線電事業(yè)、充電等方面都是需要直流電的。此外，當(dāng)我國(guó)黃河、長(zhǎng)江上的大水電站建成時(shí)，必須把這些巨量的電流送到遙遠(yuǎn)的各地，假若還用遠(yuǎn)距離輸送高壓的交流電的辦法，是相當(dāng)浪費(fèi)的，如果要用直流電來(lái)輸送就會(huì)節(jié)省很多。但是，火力與水力發(fā)電站發(fā)出的都是交流電。因此，就必須用整流器來(lái)把交流電變成直流電。目前所采用的多是水銀蒸氣整流器，這種整流器裝置很復(fù)雜，制造起來(lái)也相當(dāng)費(fèi)事，而且成品昂貴，通電量不大，既笨重又不耐用。在這里，半導(dǎo)體又來(lái)幫忙了，我們只要把兩種不同的半導(dǎo)體聯(lián)結(jié)起來(lái)，就成為一個(gè)簡(jiǎn)單、輕便、耐用而通電量大的整流器。

為什么不同的半導(dǎo)體聯(lián)結(jié)起來(lái)就能起整流的作用呢？原來(lái)兩塊不同的半導(dǎo)體聯(lián)結(jié)起來(lái)以后，中間就形成了一層阻擋層。這層阻擋層的電阻會(huì)隨著外界流入半導(dǎo)體的電流方向不同而改變：當(dāng)電流從這個(gè)方向流入時(shí)，阻擋層的電阻很小，通過(guò)的電流量就很大；當(dāng)電流從另一個(gè)方向流入的時(shí)候，阻擋層的電阻變得很大，通過(guò)的電流量就很小，兩種電流量相比，前者要比后者大上千百倍，因此，后者就可以略去不計(jì)。所以，當(dāng)交流電（交流電就是一下子向這個(gè)方向流，一下子又向另一個(gè)方向流，這種變化極快，每秒鐘要變五十次）通過(guò)這種半導(dǎo)體整流器時(shí)，就只能向一個(gè)方向流去，成為直流電。目前，已經(jīng)根據(jù)這個(gè)原理，用硒和硫化銅制造出性能很好的半導(dǎo)體整流器。

半導(dǎo)體還可以用來(lái)做無(wú)線電接收機(jī)（收音機(jī)和電視機(jī)等）中的電子管（見(jiàn)圖三）。也就是說(shuō)它有檢波、整流和放大的作用。所謂檢波作用，就是把我們所需要的電波，從所收到的各種電波中檢出來(lái)，并且把這些人所不能聽(tīng)到看到的電波變成能聽(tīng)到的聲波和可以看到的光波。檢波過(guò)程化就足整流的過(guò)程，只是比整流要復(fù)雜一些罷了。所以半導(dǎo)體可以做成檢波器，來(lái)代替二極電子真空管。所謂放大作用就是把我們所需要的電波加強(qiáng)，也就是使聲音加大。半導(dǎo)體也可以作成放大器來(lái)代替三極電子真空管。半導(dǎo)體的檢波器、整流器和放大器比各種電子真空管有許多好處：體積小、重量輕、成本低、制造簡(jiǎn)單、耗電量少和經(jīng)久耐用。因此，半導(dǎo)體的應(yīng)用，將引起無(wú)線電技術(shù)上的大革新。

過(guò)去和未來(lái)

半導(dǎo)體科學(xué)是一門年輕的科學(xué)。三十年前，人們已發(fā)現(xiàn)并開(kāi)始利用半導(dǎo)體來(lái)做檢波的工作，這就是我們熟知的礦石收音機(jī)里的礦石。在第二次世界大戰(zhàn)中，為了軍事上的需要，為了用無(wú)線電來(lái)定們——雷達(dá)，就要用高頻率的電磁波——微波，來(lái)反射我們所要測(cè)定的目的物。微波必須經(jīng)過(guò)檢波器，才能變成人們能夠覺(jué)察得到的電磁波?？墒?，一般的電子真空管都不中用，於是，半導(dǎo)體就被人們重視起來(lái)，經(jīng)過(guò)精制以后，用來(lái)?yè)?dān)負(fù)檢微波的作用。1948年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體應(yīng)用范圍極為廣泛，能夠代替一般的電子真空管。近幾年來(lái)，對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多了。半導(dǎo)體將有著無(wú)限的發(fā)展前途。

當(dāng)然，在目前，半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用還存在一些困難和問(wèn)題：如，用半導(dǎo)體制造發(fā)電器的成本還比較高；由於用來(lái)作半導(dǎo)體的物質(zhì)純度要達(dá)到一千萬(wàn)分之一以上，才能保持性能的準(zhǔn)確性，因而大量制造，在技術(shù)上還有困難……。但是，我們相信，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這些困難都會(huì)解決的。而半導(dǎo)體給人類帶來(lái)的幸福將是無(wú)法估量的。

當(dāng)半導(dǎo)體廣泛應(yīng)用來(lái)發(fā)電，特別是利用太陽(yáng)能來(lái)發(fā)電的時(shí)候，世界上的動(dòng)力來(lái)源將取之不盡了：在工廠中轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)器，田野上奔馳的電動(dòng)拖拉機(jī)，都不再用長(zhǎng)長(zhǎng)的導(dǎo)線從發(fā)電站引電了，因?yàn)闊o(wú)論是屋頂還是田野，只要太陽(yáng)光照射到的地方，都是電力供應(yīng)的地方。沙漠將不再是使人討厭的地方，人們將利用陽(yáng)光發(fā)電，能迅速地把沙漠變成良田。

當(dāng)半導(dǎo)體廣泛用來(lái)檢波、整流時(shí)，我們不僅有能夠放到袋子里的袖珍收音機(jī)，還可選出像手表那樣大小的收音機(jī)和電視機(jī)。特別是半導(dǎo)體代替了一般電子管以后，裝備巨大而笨重的電子計(jì)算機(jī)，將變得簡(jiǎn)單而輕便了。於是，電子計(jì)算機(jī)，像一只大箱子一樣，可以自由地搬來(lái)搬去。無(wú)論何時(shí)何地，都可以幫助人們工作，減輕人們的腦力勞動(dòng)。半導(dǎo)體還會(huì)使自動(dòng)控制裝置進(jìn)一步完善，一切生產(chǎn)過(guò)程都將完全自動(dòng)化。人們將撤底地從簡(jiǎn)單的不斷重復(fù)的勞動(dòng)中解脫出來(lái)，專門從事創(chuàng)造性的勞動(dòng)。人們控制自然的能力亦會(huì)不斷增加，真正地成為宇宙的主人。

不僅如此，半導(dǎo)體的應(yīng)用，將會(huì)隨著人類對(duì)它認(rèn)識(shí)的提高而增加起來(lái)。因此，我們可以毫無(wú)懷疑地說(shuō)，半導(dǎo)體也會(huì)使農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、化學(xué)工業(yè)以及一切科學(xué)和生產(chǎn)部門都得到它的好處。