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奇妙的材料：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇 [:1700542048]
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奇妙的材料：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇 半导体的秘密
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半导体是大家耳熟能详的词汇，虽然大家都知道它的导电性介于导体与绝缘体之间，可未必理解其中真正的奥妙。简单来说，半导体是一种能够通过改变杂质含量或者改变光照方式控制其电导率的物质。
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在金属元素本身携带的电子中，一部分可以脱离原子自由移动。只要从任意一个方向得到“召唤令”——施加电压——这些自由电子便会瞬间奔向低电压区域，这样就在金属内部形成了电流。
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而在硅晶体内的原子对电子的捕捉能力稍强于金属元素，使电子无法自由移动，因此纯硅基本上属于绝缘体。对此，可以在纯硅中混入极少量的其他物质，使硅具有导电性。
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例如，在硅晶体内添加带电子数少的硼，由于硼原本处于缺乏电子的状态，会形成“电子空穴”状态。一旦施加电压，邻近的电子就会移过去填入空穴，新产生的空穴由其他电子填充，在此连锁反应之下形成稳定的电流。
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简而言之，这就是所谓的空穴传输。纯粹的硅晶体内部由于所有的空穴都被电子占满，如同一群人手里都拿着东西，相互之间无法传递物品。加入硼相当于这一群人加了几个空着手的人，就可以迅速将手里的物品（电子）转交给下一个人。这种半导体本身缺乏负电荷，也就是说全体处于正电荷的状态，被称为P型半导体（p是单词positive的首字母）。
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与此相反，假如在硅晶体内加入多带了一个电子的磷元素，依然可以具备导电能力。不过，由于这种半导体携带的是负电荷，因此被命名为N型半导体（n是单词negative的首字母）。
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综上所述，在硅晶体内加入不同种类和比率的杂质，就会形成不同特性的半导体。再将这些半导体进行合理组合，就可以制造出诸如单向导电的二极管、记录信息的存储媒介等多种电子元件。用象棋的棋子打个比方，假如金属元素是只能前行的兵卒，而半导体就相当于棋盘上多了车、马、炮等功能强大的棋子。将这些棋子进行合理布局，就可以像走出精妙的棋局一般生产出复杂而功能强大的电子产品。
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奇妙的材料：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇 跨入锗时代
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真正开创半导体时代的材料原本不是硅，而是一种名为锗的元素。前文提到碳元素与硅元素在周期表中同属一列，而锗元素则在下方紧挨着硅元素，三者在性质上自然有许多相同之处。因此，锗元素也为半导体的发展立下了汗马功劳。
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第二次世界大战后，最早利用锗元素开发出新设备的是美国的贝尔实验室。该实验室原本是美国电话电报公司（AT&T）的研究部门。AT&T在全美开展长途电话业务时发现这样一个问题：随着距离的增加，声音信号出现衰减现象，导致双方难以听清通话声，而解决这个问题只能依靠音频信号增幅设备。
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1947年，约翰·巴丁（1908—1991）、沃尔特·布拉顿（1902—1987）和威廉·肖克利（1910—1989）三人首次实现了锗晶体管实用化。最初的产品被称作点接触式锗晶体管，在实用性方面还有极大的欠缺。后来，肖克利又开发出物理特性极其稳定的NPN型晶体管。
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第二年，随着晶体管的技术公开，全世界的技术人员敏锐地捕捉到技术的发展方向。当时所使用的真空管寿命最长不过数千小时，这就导致刚问世不久的ENIAC不得不一天数次更换真空管。然而，新问世的晶体管不仅寿命长、价格低，而且可以做得极为小巧。据当时参与晶体管研究的日本人回忆，看到极其细小的晶体管时，他不由得感到“这是种令人毛骨悚然的发明”。
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巴丁（左）、肖克利（中）、布拉顿（右）
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晶体管的问世开启了半导体产业兴盛发展的新篇章。成功开发出晶体管收音机的东京通信工业以此为契机，发展成了名震世界的索尼公司。1960年，电视之所以能登上“娱乐之王”的宝座，晶体管的功劳不可磨灭。而巴丁、布拉顿和肖克利三人也因为发明晶体管的功绩而荣获了1956年的诺贝尔物理学奖。
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1947年发明的首个晶体管（复制品）
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奇妙的材料：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇 硅谷奇迹