作者：鎖相（科研工作者，科學(xué)公園作者）

硅，原子序數(shù)14，是地殼中第二豐富的元素。硅有二十多種同位素，最常見的同位素?cái)y帶14個(gè)中子。

硅礦石（圖片來源：http://wyky.cn/）

硅在室溫下是固體，熔點(diǎn)非常高，如果不是因?yàn)榘雽?dǎo)體工業(yè)，我們應(yīng)該對(duì)硅的單質(zhì)比較陌生，而對(duì)它的化合物比較熟悉，比如，巖石和沙子常由硅的化合物組成。我們熟悉的花崗巖，其主要成分是石英，暗黑破壞神玩家熟知的紫寶石（amethyst）也是含雜質(zhì)的石英，而石英就是硅的氧化物。暗黑游戲中出現(xiàn)的黃寶石（topaz，俗稱黃玉）、綠寶石（emerald、俗稱祖母綠）中也含有硅。生活中，硅的化合物更是常見：玻璃含有硅，鋁合金含有硅；含有硅的聚合物硅酮（silicone）用于潤滑劑、涂層、護(hù)發(fā)素等多種物品。硅也出現(xiàn)于生物體中。

由左至右：紫寶石，黃玉，祖母綠。（圖片來源：wiki相關(guān)條目）

因?yàn)榘雽?dǎo)體工業(yè)的出現(xiàn)，單質(zhì)硅也進(jìn)入了普通人的生活。天然的單質(zhì)硅不存在，通過去除硅的氧化物中的氧可以得到單質(zhì)硅，但這不是半導(dǎo)體工業(yè)所需要的硅。半導(dǎo)體工業(yè)使用的硅，通常是極高純度的單晶硅，純度可以高達(dá)九個(gè)九，要求極為苛刻；平時(shí)人們提到的24K金，指金含量不低于99.99%，稱為四個(gè)九。單晶是另外一個(gè)苛刻的要求。晶體是由原子或者分子在空間中按照一定規(guī)律周期排列構(gòu)成的固體，生活中遇到的固體很多是晶體；但大部分晶體不是一個(gè)完整的單晶，而是由許多小單晶組成的多晶?，F(xiàn)代的硅單晶生長工藝可以長出直徑0.3米，長度1米以上的單晶。

從左到右：單晶（有完整的周期性），多晶（有區(qū)域內(nèi)的周期性），無序（無周期性）。（圖片來源：http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/atomic-scale-structure/intro.php）

半導(dǎo)體工業(yè)需要高質(zhì)量的硅，這得從二戰(zhàn)時(shí)的半導(dǎo)體二極管研究說起。那些研究發(fā)現(xiàn)，如果半導(dǎo)體器件想要有可重復(fù)性，半導(dǎo)體材料本身需要控制雜質(zhì)。后續(xù)的晶體管相關(guān)研發(fā)工作又將對(duì)硅的質(zhì)量要求推向了一個(gè)前所未有的高度。1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管。晶體管和普通電阻的區(qū)別在于，普通電阻有一個(gè)電流流入端口和一個(gè)電流流出端口，流經(jīng)電阻的電流由電阻上的壓降和電阻的本身特性決定；而晶體管有三個(gè)端口，第三個(gè)端口上所加的電壓可以改變其余兩個(gè)端口所通過的電流。因?yàn)榉N種原因，硅在晶體管市場(chǎng)中最終占據(jù)了主導(dǎo)地位（它的競爭對(duì)手是鍺，是另外一種有意思的元素）。晶體管是信息大廈的“磚頭”，2012年，一個(gè)CPU上可以有50億個(gè)晶體管，而2012年地球上的人口大約為70億；現(xiàn)在單個(gè)CPU上的晶體管數(shù)目已經(jīng)超過了地球人口數(shù)目了。硅出現(xiàn)在構(gòu)成現(xiàn)實(shí)世界的磚頭中，也出現(xiàn)在構(gòu)成信息世界的“磚頭”中，這并不完全是偶然，硅本來就是人類最容易獲得的元素之一。晶體管的質(zhì)量穩(wěn)定可靠需要硅的質(zhì)量穩(wěn)定可靠作保證，此外，隨著晶體管的大量使用，批量生產(chǎn)晶體管需要大尺度的高質(zhì)量硅。晶體管的生產(chǎn)工藝中，一個(gè)常見的步驟是光刻，它像皮影戲一樣，把一塊模板上的圖案通過光學(xué)方法和其他技術(shù)輔助“復(fù)制”到硅上面。通常來說，一次“復(fù)制”的面積越大，則一次能生產(chǎn)的晶體管數(shù)量越多，單個(gè)晶體管的成本也就越低。早期的“復(fù)制”面積是2英寸直徑的圓，現(xiàn)在是6英寸或8英寸直徑的圓，12英寸直徑的工藝也已經(jīng)投入了使用。面積越大，對(duì)硅晶體的質(zhì)量在幾何尺度上的要求越高。太陽能電池中也大量使用單質(zhì)硅，不過質(zhì)量要求就低很多。

金屬氧化物硅場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）是最重要的晶體管之一。圖三中給出了MOSFET的示意圖，它比常規(guī)電阻多出的第三個(gè)端口就是圖中的Gate（門電極），它可以調(diào)節(jié)Source（源）和Drain（漏）之間的導(dǎo)通程度。這一套技術(shù)中，硅的特殊之處在于它本身就是接近于完美的半導(dǎo)體，允許進(jìn)行精密摻雜（摻雜是為了改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力），并且它表面能生長出均勻并且絕緣的氧化層SiO2。如果沒有這層氧化層作為絕緣層，門電極處的電子將會(huì)進(jìn)出源和漏之間的通道，門電極上所加的電壓將不僅起“裁判員”的作用，還成了“運(yùn)動(dòng)員”，場(chǎng)效應(yīng)管不再起應(yīng)有的作用。這里所謂的精密摻雜，可以達(dá)到一百億分之一的量級(jí)，相當(dāng)于在全體地球人中準(zhǔn)確地只投放一只恐龍。硅器件本身的市場(chǎng)大約是2,000億美金，看起來不多，但是如果考慮到基于硅器件的各種電子產(chǎn)品和工業(yè)生產(chǎn)線，它的經(jīng)濟(jì)影響力難以估算；離開它，世界經(jīng)濟(jì)恐怕會(huì)立即崩潰。

場(chǎng)效應(yīng)管示意圖。（圖片來源：commons.wikimedia.org/wiki/File:MOSFET-Cross.png）

MOSFET上最著名的基礎(chǔ)物理科研應(yīng)該是量子霍爾效應(yīng)。在MOSFET所產(chǎn)生的二維電子氣體中，馮?克利青發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)。經(jīng)典的霍爾效應(yīng)中，霍爾電阻隨著磁場(chǎng)線性變化，而量子霍爾效應(yīng)中的霍爾電阻會(huì)出現(xiàn)量子化的平臺(tái)。朗道的對(duì)稱性破缺理論可以解釋絕大部分的相變現(xiàn)象，量子霍爾效應(yīng)卻是個(gè)例外，它屬于拓?fù)湎嘧?，描述它需要用到一個(gè)數(shù)學(xué)概念“陳數(shù)”，來源于著名數(shù)學(xué)家陳省身。量子霍爾效應(yīng)中的量子化電導(dǎo)成了電阻的新定義標(biāo)準(zhǔn)，并且有望很快成為國際單位制的新基石之一。因?yàn)榱孔踊魻栃?yīng)的意義重大，馮?克利青僅在發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象5年后即獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，并且不與任何人分享該年度物理獎(jiǎng)，這兩者在過去30年中均是非常罕見的。

硅，原子序數(shù)14，它連接了石器時(shí)代與信息時(shí)代。