開啟計(jì)算機(jī)時(shí)代的硅元素

為了慶祝元素周期表誕生150周年，聯(lián)合國(guó)宣布將2019年定為“國(guó)際化學(xué)元素周期表年”。以此為契機(jī)，《科學(xué)大眾·中學(xué)生》雜志打造“元素家族”專欄，節(jié)選江蘇科普作家魯超所著《鬼臉化學(xué)課·元素家族》部分內(nèi)容進(jìn)行刊載，供同學(xué)們閱讀、學(xué)習(xí)。

硅位于元素周期表第14位，在地殼中是第二豐富的元素，以二氧化硅或復(fù)雜的硅酸鹽的形式，存在于巖石、砂礫、塵土之中。單質(zhì)硅是應(yīng)用性很強(qiáng)的半導(dǎo)體材料，是目前制造計(jì)算機(jī)芯片、集成電路的基石。可以說，沒有硅，就沒有現(xiàn)在我們喜愛的各種電子產(chǎn)品了。

遲到的“王者”

雖然硅廣泛存在于這個(gè)世界上，但是將單質(zhì)硅分離出來是一件很難的事情，所以人們很晚才見到它的真面目。人們得到單質(zhì)硅以后，它又默默無聞了很久。一直到20世紀(jì)下半葉，它才成功地逆襲上位，成為計(jì)算機(jī)時(shí)代的重要角色。

說到硅元素的發(fā)現(xiàn)史，又得提到一長(zhǎng)串熟悉的名字。

1787年，法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫認(rèn)識(shí)到石英中含有一種元素，他將它列在第一份元素名單里，名字叫“Silice”，意思是石英。

1808年，英國(guó)化學(xué)家戴維信心爆棚地宣布他發(fā)現(xiàn)了4種元素的蹤跡，石英里的元素是其中之一，因?yàn)樗嘈胚@種新元素是一種金屬元素，所以他將這種新元素命名為“Silicium”。

但戴維并沒有得到一丁點(diǎn)純硅，1811年，法國(guó)化學(xué)家蓋一呂薩克先制得了四氟化硅，然后他嘗試用鉀去還原它，得到了一些無定形硅（又稱非晶硅，是硅的一種同素異形體），但實(shí)在是不純，無法進(jìn)一步作分析研究。

1817年，英國(guó)化學(xué)家托馬斯-湯姆森提出硅應(yīng)該是一種非金屬，所以他建議用“Silicon”這個(gè)名字，類似碳的“Carbon”和硼的“Boron”，這個(gè)名字一直沿用至今。

1823年，經(jīng)過之前幾位中場(chǎng)大師的傳遞配合，最終由瑞典化學(xué)家貝采尼烏斯完成了“破門”，他用鉀還原氟硅酸鉀，得到了一團(tuán)棕色粉末，他將粉末反復(fù)沖洗，最終得到了較純凈的無定形硅。地球上第二多的元素終于見天日了。

發(fā)現(xiàn)硅元素30多年后，法國(guó)人德維爾將無定形硅跟氯化鈉、氯化鋁混合，然后電解，第一次得到了較純的晶體硅。

單質(zhì)硅被制得以后，并未引起大家的重視。它的熔點(diǎn)很高，高達(dá)1410℃，但比石英要稍微差一點(diǎn)。它在常溫下的化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，不太容易和其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。但是到了高溫下，單質(zhì)硅就活潑起來，它和氧的化學(xué)親和力尤其強(qiáng)大，很喜歡從金屬氧化物里把氧奪過來。所以用它來還原氧化物，是再好不過的。

很多物質(zhì)純度高到一定程度以后，其化學(xué)性質(zhì)會(huì)變得完全不一樣，硅也是如此。

將石英和木炭混合，加熱到1900℃以上，通電讓它們電解，可以得到純度98%以上的硅，被稱為冶金級(jí)硅。由于其中含有一些金屬，也叫它金屬硅，或者硅金屬。這種硅材料已經(jīng)商品化，主要用于生產(chǎn)白炭黑和有機(jī)硅，以及繼續(xù)純化，生產(chǎn)更加純凈的硅。

讓氯化氫和粗硅粉反應(yīng)生成氯硅烷，然后讓氯硅烷在氫氣氣氛的還原爐中還原沉積，就得到了比較純凈的硅晶體，純度可以達(dá)到99.99%。這種硅晶體雖然已經(jīng)如此純凈，但是其內(nèi)部存在很多種結(jié)晶方向，不是一整塊大晶體，稱為多晶硅。

科學(xué)家們還不滿意，他們繼續(xù)將多晶硅熔融，將一塊比較規(guī)則的種子晶體慢慢浸入硅熔體中，逐漸冷卻，讓硅晶體在種子晶體上慢慢生長(zhǎng)，最終可以得到一塊完美的硅晶體，這就是單晶硅，純度可以達(dá)到99.9999%以上。

20世紀(jì)60年代，人們發(fā)現(xiàn)只要在硅晶體中摻入極微量的第三主族元素，比如硼元素，或者第五主族元素，比如磷元素或砷元素，硅就會(huì)表現(xiàn)出很活躍的半導(dǎo)體性能。這讓之前一直默默無聞的硅元素一下子走上了科學(xué)技術(shù)最前沿的大舞臺(tái)，一直保持到現(xiàn)在。

硅元素初顯身手

二戰(zhàn)后的1946年，美國(guó)發(fā)明了世界上第一臺(tái)基于圖靈思想的電子計(jì)算機(jī)——埃尼阿克（ENIAC）。今天的人看埃尼阿克，簡(jiǎn)直難以想象，這個(gè)重達(dá)30噸的大家伙，包含了約18000支電子管，人們要給它專門供電，其計(jì)算能力卻只是每秒5000次，現(xiàn)在隨便一個(gè)手掌計(jì)算器都可以完爆它。當(dāng)時(shí)可能誰都沒有想到，這將開啟一個(gè)偉大的計(jì)算機(jī)時(shí)代。

1947年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，用于取代計(jì)算機(jī)中的電子管，創(chuàng)造了第二代計(jì)算機(jī)。第二代計(jì)算機(jī)更加小型化，能耗降低，計(jì)算能力提高到每秒10萬次以上。

1958年，美國(guó)人基爾比用半導(dǎo)體做出了一個(gè)新玩意兒，他這樣描述自己的發(fā)明：“在一個(gè)半導(dǎo)體材料的體內(nèi)，所有的組成電路看似各自獨(dú)立，卻都是高度集成的！”因此他的新玩意兒被稱為“集成電路”。他的發(fā)明迅速被美國(guó)空軍采用，繼而被應(yīng)用到電子計(jì)算機(jī)中，他還因此獲得了2000年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

基爾比發(fā)明的集成電路使用的是鍺元素，硅元素?zé)o疑比稀有的鍺更加便宜，而且硅元素的耐高溫性能和抗輻射性能也更好。所以，僅僅半年后，美國(guó)仙童半導(dǎo)體公司的諾伊斯就發(fā)明了基于硅的集成電路，解決了基爾比集成電路的很多缺點(diǎn)。接下來，幾乎是一夜之間，硅元素就取代了鍺元素，成為半導(dǎo)體行業(yè)的明星，開啟了第三代計(jì)算機(jī)一一集成電路數(shù)字機(jī)時(shí)代，這一代計(jì)算機(jī)速度更快，而且成本更低。

神奇的摩爾定律

基于基爾比、諾伊斯的發(fā)明，1971年，美國(guó)英特爾公司的費(fèi)金工程師制造出了世界上第一款商用的CPU微處理器-lntel 4004，它被稱為“超大規(guī)模集成電路”。第四代計(jì)算機(jī)的時(shí)代到來了，它的基礎(chǔ)就是硅元素！

Intel 4004是一件劃時(shí)代的作品，它小到不可想象，尺寸只有3毫米×4毫米，片內(nèi)集成了2300個(gè)晶體管，晶體管之間的距離是10微米，每秒運(yùn)算6萬次，當(dāng)時(shí)的成本只有不到100美元。英特爾公司的首席執(zhí)行官戈登-摩爾將它稱為“人類歷史上最具革新性的產(chǎn)品之一”。

這位摩爾先生更有高論，早在1965年，他就預(yù)言道： “當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍?！边@被稱為摩爾定律。

半個(gè)世紀(jì)過去了，摩爾定律一直在發(fā)揮著作用。2012年，晶體管間距已經(jīng)降低到了22納米，2015年，降低到了14納米。摩爾定律是摩爾先生的神奇預(yù)言，更是他對(duì)計(jì)算機(jī)行業(yè)的偉大指引，每當(dāng)有人跳出來，提出對(duì)硅材料的開發(fā)已經(jīng)接近終結(jié)、摩爾定律即將走到盡頭時(shí)，總會(huì)有新技術(shù)誕生，繼續(xù)挖掘硅元素的潛力。計(jì)算機(jī)的發(fā)展史，體現(xiàn)了人類的進(jìn)取精神，摩爾定律就好像一面旗幟，帶領(lǐng)我們走向更加神奇的未來。

我們看到，摩爾定律的指引讓計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度不斷提高，更讓計(jì)算機(jī)的小型化成為現(xiàn)實(shí)，如今手提電腦早已普及，隨便一部智能手機(jī)的功能都已經(jīng)遠(yuǎn)超早些年的電腦。我們?cè)谙硎苄畔r(shí)代的便捷時(shí)，是否想到了這些電子消費(fèi)品的“心臟”是用硅做的呢？

（責(zé)任編輯：白玉磊 責(zé)任校對(duì)：趙夢(mèng)祺）