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003 材料与上帝

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    观众胖子都是过劳肥:

    “主播做个人吧,满足机器人的要求!问他问他!”

    观众00927:“捧起来!捧起来!这机器人还挺逗,德云社训练出来的吧。”

    于是,江维输入道:“肖大,您是如何产生如此天才想法的?”

    肖克利:

    【那就要说起半导体的特性了。众所周知,半导体是一种材料,常用的比如硅、锗还有一些化合物,比如硫化银。

    因为导电性能介于导体与绝缘体之间,所以叫半导体。

    半导体有四个特性:

    热敏性:这是1833年英国科学家电子学之父法拉第最先发现的。

    半导体材料的电阻率与温度相关,一般的金属,电阻随温度升高而增加,而半导体相反,是降低的。

    直观的例子,与温度相关的传感器就会利用半导体的这个特性。

    比如,你家的电饭锅。

    光敏性:这是1839年法国的贝克莱尔发现的。

    在光照下,半导体与电解质接触形成的结,能够产生电压。

    这就是光生伏特效应,也是太阳能电池的基础原理。

    另外,1873年,英国的史密斯发现,硒晶体材料在光照下电导还能增加。这就是电导效应。

    可整流性:这是1874年,德国的布劳恩发现的。

    半导体的电导与所加电场的方向有关,即它的导电有方向性。

    在它两端加一个正向电压,它是导通的;如果把电压极性反过来,它就不导电,这就是半导体的整流效应。

    半导体的这三个特性,虽在1880年以前就先后被发现了,但一直到1947才由我们的贝尔实验室完成总结。

    而我们PN结型晶体管,更是重点利用了半导体的第四个特性:可掺杂性!

    所谓可掺杂性,在纯净的半导体中加入微量杂质,其导电能力会急剧增加。

    在金属中,几乎每个原子都会贡献一个或者多个传导电子。

    但在半导体中,大约一亿个原子中只有一个原子贡献一个导电电子。

    由此你可以看到,大约每一百万中添加一个杂质原子,就可以极大程度改变半导体的导电性能。

    所以,一个天才的想法必须具备两个关键要素:

    第一:有足够多的知识储备。

    第二:能将储备的知识融会贯通。

    好了,有了前面的知识铺垫,现在我可以介绍PN结型晶体管这项伟大的发明了。

    纯净的半导体称为本征半导体,但纯锗和纯硅的导点性能不佳,所以我们就给掺杂点别的元素。

    在本征半导体中掺入微量5价元素,比如磷、锑、砷等,具体你自己把元素周期表背一下。

    这种会形成以电子导电为主的半导体,大家都知道电子带负电。所以,这种半导体叫N型半导体,以Negative为词头。

    如果掺杂的是3价元素,比如硼、稼、铟等,在电场的作用下主要是空穴电流。空穴带正电荷,所以这种半导体称为P型半导体,以Positive为词头。

    注意,虽然掺杂后对于N型和P型半导体而言,虽然都有一种载流子是多数载流子,但整个半导体的正负电荷数是相等的,所以依然保持电中性。

    本征半导体掺了其他元素后,虽然导电能力得到了极大增强,但一般并不能直接用来制造成半导体器件。

    而是将P型和N型通过一定的制作工艺,构成PN结。

    就是P和N两种半导体,Pia的给凑一起,在交界面形成PN结。

    这样的结构具备单向导点性,加正向偏置电压的时候导通,反向偏置的时候呈截止状态。

    除了单向导电外,PN结还具备感温、感光、发光等特性。】

    江维有些感慨道:“半导体真是一种神奇的材料。”

    肖克利:

    【嗯,如果没有这种材料,我们今天就很难将真实世界的温度、湿度、光、压力等等转化为电信号。

    再将电信号数字化进行分析、放大、处理,形成数字信息世界。】

    江维点点头:“我大学传感器这门课的教授就曾经说过,当你越来越深入的研究材料学,会越来越怀疑上帝是否真的存在。

    我们地球上无数神奇的材料,让我们能够创造今天这样的科技社会。

    它们的特性总是那么的恰到好处的满足人类的需求。

    这是否是上帝,早就安排好了……”

    【不,你应该说天才是否是上帝安排的,我们从一大堆乱七八糟的东西里面发现特殊材料的特性,并利用它们创造世界!】

    江维:“也对,半导体的深入认识和应用,依赖于1926年至1936年间量子力学的创立和量子场论的发展。感谢你们这些物理学家对人类做出的贡献。”

    肖克利:【所以,我是诺贝尔物理学奖获得者,天才物理学家,威廉·肖克利!】

    观众爱呀玛雅:“哎呀妈呀,原来半导体还要依靠量子力学,难怪是物理学搞出来的。”

    观众长鼻象长在腰上:“那当然啊,微电子技术是通过控制电子群体来实现其功能,利用的是电子的粒子性进行工作。

    80年代末诞生的纳米电子学,是通过控制单个原子、分子来工作,利用的是电子的波动性。电子学跟物理学是息息相关的。”