元素漫談（一）：硅

作者：鎖相（科研工作者，科學公園作者）

硅，原子序數14，是地殼中第二豐富的元素。硅有二十多種同位素，最常見的同位素攜帶14個中子。

硅礦石（圖片來源：http://wyky.cn/）

硅在室溫下是固體，熔點非常高，如果不是因為半導體工業，我們應該對硅的單質比較陌生，而對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）也是含雜質的石英，而石英就是硅的氧化物。暗黑游戲中出現的黃寶石（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、護發素等多種物品。硅也出現于生物體中。

由左至右：紫寶石，黃玉，祖母綠。（圖片來源：wiki相關條目）

因為半導體工業的出現，單質硅也進入了普通人的生活。天然的單質硅不存在，通過去除硅的氧化物中的氧可以得到單質硅，但這不是半導體工業所需要的硅。半導體工業使用的硅，通常是極高純度的單晶硅，純度可以高達九個九，要求極為苛刻；平時人們提到的24K金，指金含量不低于99.99%，稱為四個九。單晶是另外一個苛刻的要求。晶體是由原子或者分子在空間中按照一定規律周期排列構成的固體，生活中遇到的固體很多是晶體；但大部分晶體不是一個完整的單晶，而是由許多小單晶組成的多晶。現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（有區域內的周期性），無序（無周期性）。（圖片來源：http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/atomic-scale-structure/intro.php）

半導體工業需要高質量的硅，這得從二戰時的半導體二極管研究說起。那些研究發現，如果半導體器件想要有可重復性，半導體材料本身需要控制雜質。后續的晶體管相關研發工作又將對硅的質量要求推向了一個前所未有的高度。1947年，貝爾實驗室發明了晶體管。晶體管和普通電阻的區別在于，普通電阻有一個電流流入端口和一個電流流出端口，流經電阻的電流由電阻上的壓降和電阻的本身特性決定；而晶體管有三個端口，第三個端口上所加的電壓可以改變其余兩個端口所通過的電流。因為種種原因，硅在晶體管市場中最終占據了主導地位（它的競爭對手是鍺，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CPU上可以有50億個晶體管，而2012年地球上的人口大約為70億；現在單個CPU上的晶體管數目已經超過了地球人口數目了。硅出現在構成現實世界的磚頭中，也出現在構成信息世界的“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。晶體管的質量穩定可靠需要硅的質量穩定可靠作保證，此外，隨著晶體管的大量使用，批量生產晶體管需要大尺度的高質量硅。晶體管的生產工藝中，一個常見的步驟是光刻，它像皮影戲一樣，把一塊模板上的圖案通過光學方法和其他技術輔助“復制”到硅上面。通常來說，一次“復制”的面積越大，則一次能生產的晶體管數量越多，單個晶體管的成本也就越低。早期的“復制”面積是2英寸直徑的圓，現在是6英寸或8英寸直徑的圓，12英寸直徑的工藝也已經投入了使用。面積越大，對硅晶體的質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硅，不過質量要求就低很多。

金屬氧化物硅場效應管（MOSFET）是最重要的晶體管之一。圖三中給出了MOSFET的示意圖，它比常規電阻多出的第三個端口就是圖中的Gate（門電極），它可以調節Source（源）和Drain（漏）之間的導通程度。這一套技術中，硅的特殊之處在于它本身就是接近于完美的半導體，允許進行精密摻雜（摻雜是為了改變半導體的導電能力），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進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“運動員”，場效應管不再起應有的作用。這里所謂的精密摻雜，可以達到一百億分之一的量級，相當于在全體地球人中準確地只投放一只恐龍。硅器件本身的市場大約是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品和工業生產線，它的經濟影響力難以估算；離開它，世界經濟恐怕會立即崩潰。

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

MOSFET上最著名的基礎物理科研應該是量子霍爾效應。在MOSFET所產生的二維電子氣體中，馮?克利青發現量子霍爾效應。經典的霍爾效應中，霍爾電阻隨著磁場線性變化，而量子霍爾效應中的霍爾電阻會出現量子化的平臺。朗道的對稱性破缺理論可以解釋絕大部分的相變現象，量子霍爾效應卻是個例外，它屬于拓撲相變，描述它需要用到一個數學概念“陳數”，來源于著名數學家陳省身。量子霍爾效應中的量子化電導成了電阻的新定義標準，并且有望很快成為國際單位制的新基石之一。因為量子霍爾效應的意義重大，馮?克利青僅在發現該現象5年后即獲得諾貝爾物理學獎，并且不與任何人分享該年度物理獎，這兩者在過去30年中均是非常罕見的。

硅，原子序數14，它連接了石器時代與信息時代。