奇妙的半导体

贾敏

三年以前，莫斯科附近的一个工厂制造出了一批非常轻巧的发电器，它可以方便地套在煤油灯的玻璃灯罩上面，不用笨重复杂的机器设备，也不用燃料，只靠煤油灯的热，就能发出电来足够一架普通的收音机的应用。（见图一）。

去年，苏联的有些城市的街道上，出现了这样一种路灯，这种路灯没有什么电线通向电源，可以说是自己就会发光的。而且天一暗下来自己就会自动发光，照明街道，天亮了也会自动“关上”，不用人管理。

更有趣的，还出现了一种没有真空管的收音机，只有一两斤重，小得可以放到口袋或衣袖里去，用起来真是像小笔记本那么方便。不论你走到那里，就是到了荒山或沙漠地带，只要你高兴，就可以拿出来听北京的广播，莫斯科的音乐。……

说到这里，或许读者要问，怎么会出现这样的“奇迹”呢？原来，科学家们发现了某些物质的特性，利用这些物质就可以发电不用机器，可以自动控制机器，可以用来代替无线电的电子真空管，还可用来作其他许多奇妙的东西。

这些物质就叫做“半导体”。

什么叫半导体？

把物体分为导体与非导体是很早以前的事了。谁都知道，能导电的铜、银等金属元素叫做导体；玻璃、木头、橡皮等物质不能导电，就被称为非导体（即绝缘体）。

半导体是介於导体与非导体之间的物质，既不像导体那样容易导电，又不像非导体（绝缘体）不能或者说几乎不能导电。像矽、钥、碲、硼、砷、磷以及不少的氧化物与硫化物都是半导体。目前应用最普遍的和最重要的是：稀有金属“锗”和世界上数量最多的“矽”。

半导体所以能够创造许多奇迹，不仅因为它的导电能力介於导体与非导体之间，更重要的是它的导电能力与光和热有着极其密切的关系。当半导体的温度增高或受光线照射较强时，它的导电能力就显著增加；反之，温度降低或光线照射较弱时，半导体的导电能力就急剧减少。而导体与非导体则没有这种特性。这也就是半导体不同於其他物质的最主要的特性。

为什么半导体的导电能力介於导体与非导体之间？为什么会因光和热的变化而改变自己的导电能力呢？

原来，任何物体都是由许许多多原子构成的。每个原子都是由一个原子核和围绕着原子核转动的一定数量的电子组成。在非导体中电子和原子核结合得非常牢固；而在导体中，几乎全部电子与它的原子核结合很不牢固，甚至能离开原子核而自由地在导体内跑来跑去。这种电子叫做“自由电子”。所谓电流现象，就是许多电子顺着一定的方向流动。所以，当两个不同电压的电极中间连以导体，导体中的“自由电子，”就向一定方向移动，把电由一极导向另一极，这就是产生了电流。如果连以非导体，因为没有“自由电子”就没有电子的移动，也就没有电流现象。导体所以能导电，非导体所以不能导电，道理就在这里。半导体中的电子与原子核的结合既不像导体那样松弛自由，也不像非导体那样牢固。因而它们的导电能力也就介於导体与非导体之间了。

我们知道，任何物体内的原子都是不停地振动着；物体受光和热多时，原子振动剧烈，受光和热少时则振动缓慢。当半导体中的原子在光和热的影响下振动剧烈时，它们周围的电子就互相碰撞，有些电子与原子核结合得不甚牢固，於是就被撞出来成为“自由电子”；在受到光和热较少时，原子振动缓慢，就很少有电子被撞出来。这就是为什么半导体因光与热的强弱多寡而增加或减少导电能力的缘故。导体中本来就有自由电子，光与热对它的影响不大；非导体中的电子与原子核结合得非常牢固，不管原子振动怎样剧烈，电子也很难被撞出来。所以它们就没有或者极少随着光热的变化而改变自已导电能力的特性。

根据这些特性，就可以让半导体帮助我们做许许多多的过去不能做的事情。

发电不用机器

在任何一个发电站里，不论它的动力是水力、火力还是原子能，都要具有庞大复杂的机器设备。

可是，半导体却帮助我们不用机器也能够来发电。我们把两块半导体用导线连接起来，把其中一块加热，於是这块半导体内就产生了很多“自由电子”，与未加热的一块，就形成了一个电位差，这样，温度高的那块半导体内的“自由电子”，就向温度低的那块半导体流去，电流就产生了。我们只要把两块半导体的另外两端装上电极联以导线，并保持这两块半导体之间的温度差，这一些简单的东西就成为一个完整的半导体发电器了。

利用半导体来发电，会使整个电力工业引起革命。首先，我们能够直接利用热能来发电，实现了许多年来的萝想。过去，工厂里的热能有80％从锅炉的烟囱中逃逸出去，要是利用半导体就可以把这些热能变成电能。其次，“半导体发电器”不需要火力发电那样的锅炉、输机等一套庞大的机器，使发电成本大为降低。而且这种“半导体发电器”特别方便，最轻巧的可以放到一盏煤油灯的灯罩上，利用煤油灯散发出来的热发出的电力足够供给一架收音机的使用。苏联已经大量生产这种精巧的发电器了。

光与热一样，对半导体是有影响的，因而使我们有可能直接利用太阳光来发电了。目前已有这样的半导体，在阳光照射之下，每一平方公尺大小就能发出50—100瓦的电力，能够点亮一盏五十支光的电灯。用半导体制成的路灯，在白天能把太阳光变成电能储蓄起来，到晚上就用这些电能来照明，使整个城市大放光明。

半导体通电后，一端就强烈地发热，另一端却冷得结冰，所以半导体可以制成装置简单经久耐用的电冰箱，它耗电极少，效能很大。这种装置与暖气设备结合起来，不用烧锅炉，一年四季可以自动地调节室内的温度，夏天变得凉爽，冬天温暖如春。

灵敏的“电眼”

我们只知道电会发光发热，难道电还会看东西吗？真的，电也会“看”东西的。我们现在已经可以根据半导体跟热和光有极其密切的关系这个特性用来制造极其精密的仪器和自动控制装置了，事实上这种仪器和自动控制装置在某些方面比人眼的本领还要大得多呢！

我们知道，肿瘤在目前仍然是严重威协人类生命的疾病之一，其主要原因是病人在生病初期，毫无征象；虽然肿瘤部分的温度稍微有些增高，但是病人根本觉察不出来，一般的温度计也量不出来。而当病人感到有病的时候，往往已到了病情严重难以医治的程度。现在利用半导体做成的只有针头大小的温度计，却完全可以测量初期肿瘤的些微温度变化，因而能使病人得到及时治疗。这种温度计非常非常灵敏，就是一度的百分之几的温度变化也能测量出来，这是因为半导体对热有极其强烈的反应，即使些微的温度变化，也能引起半导体内电流强度的变化的缘故。

同样道理，我们可以利用半导体来帮助我们测定地球表面、土壤和植物叶子的温度，测定电线在不同情况下的强度和温度。可以用来测知在半公里以外是不是有人来，因为人也是一个发热的热源。还可以用来自动控制机器的生产，例如，自动调节锅炉的燃烧情况：把半导体的装置和加燃料的机器联结起来以后，如果炉子温度增高了，半导体内的电流就加强，促使加燃料的机器的电流中断，暂时停止加燃；相反，温度降低，半导体就会使加燃机恢复加燃工作。

半导体不只是使人增加了一只精确地觉察温度的眼睛，而且还给人增加了一只精确地觉察光线的眼睛。前面已经说过，半导体对光也有强烈的反应。在不受光照射的时候，半导体实际上是不通电流的，光线加强，电流也就随着加强。因而可以用半导体来辨别光的强度，分析颜色，发现肉眼看不到的放射线，甚至几十公里以外的放射线也可看到。也可以用来制造自动装置，例如制造自动计数器：我们把半导体装置在工厂中的产品自动传送带的地方，每当一件产品经过半导体的时候，就挡住了照在半导体上的光线，半导体的电流也就中断；产品通过后，光线又照到半导体上，电流也就恢复。因而可以正确而又迅速地计算出产品的数量（见图二）。在工厂中还可以制造出这样一种自动装置，工人在生产时一接近危险圈，机器就会自动停顿下来，以保证工人的安全。因为当时半导体所受的光线被遮住了，电流也就马上中断，促使机器停止工作。而当工人离开危验圈后，机器又会自动开动起来。同样道理，我们可以利用半导体广泛地制造其他自动控制装置，如自动开关电路，自动开关街上的路灯，自动开关门户等等。

精致的整流检波器

随着工业技术的发展，我们对直流电的需要将

越来越大。例如电车、电力机车、电镀、无线电事业、充电等方面都是需要直流电的。此外，当我国黄河、长江上的大水电站建成时，必须把这些巨量的电流送到遥远的各地，假若还用远距离输送高压的交流电的办法，是相当浪费的，如果要用直流电来输送就会节省很多。但是，火力与水力发电站发出的都是交流电。因此，就必须用整流器来把交流电变成直流电。目前所采用的多是水银蒸气整流器，这种整流器装置很复杂，制造起来也相当费事，而且成品昂贵，通电量不大，既笨重又不耐用。在这里，半导体又来帮忙了，我们只要把两种不同的半导体联结起来，就成为一个简单、轻便、耐用而通电量大的整流器。

为什么不同的半导体联结起来就能起整流的作用呢？原来两块不同的半导体联结起来以后，中间就形成了一层阻挡层。这层阻挡层的电阻会随着外界流入半导体的电流方向不同而改变：当电流从这个方向流入时，阻挡层的电阻很小，通过的电流量就很大；当电流从另一个方向流入的时候，阻挡层的电阻变得很大，通过的电流量就很小，两种电流量相比，前者要比后者大上千百倍，因此，后者就可以略去不计。所以，当交流电（交流电就是一下子向这个方向流，一下子又向另一个方向流，这种变化极快，每秒钟要变五十次）通过这种半导体整流器时，就只能向一个方向流去，成为直流电。目前，已经根据这个原理，用硒和硫化铜制造出性能很好的半导体整流器。

半导体还可以用来做无线电接收机（收音机和电视机等）中的电子管（见图三）。也就是说它有检波、整流和放大的作用。所谓检波作用，就是把我们所需要的电波，从所收到的各种电波中检出来，并且把这些人所不能听到看到的电波变成能听到的声波和可以看到的光波。检波过程化就足整流的过程，只是比整流要复杂一些罢了。所以半导体可以做成检波器，来代替二极电子真空管。所谓放大作用就是把我们所需要的电波加强，也就是使声音加大。半导体也可以作成放大器来代替三极电子真空管。半导体的检波器、整流器和放大器比各种电子真空管有许多好处：体积小、重量轻、成本低、制造简单、耗电量少和经久耐用。因此，半导体的应用，将引起无线电技术上的大革新。

过去和未来

半导体科学是一门年轻的科学。三十年前，人们已发现并开始利用半导体来做检波的工作，这就是我们熟知的矿石收音机里的矿石。在第二次世界大战中，为了军事上的需要，为了用无线电来定们——雷达，就要用高频率的电磁波——微波，来反射我们所要测定的目的物。微波必须经过检波器，才能变成人们能够觉察得到的电磁波。可是，一般的电子真空管都不中用，於是，半导体就被人们重视起来，经过精制以后，用来担负检微波的作用。1948年，科学家们发现半导体应用范围极为广泛，能够代替一般的电子真空管。近几年来，对半导体应用的发现越来越多了。半导体将有着无限的发展前途。

当然，在目前，半导体的广泛应用还存在一些困难和问题：如，用半导体制造发电器的成本还比较高；由於用来作半导体的物质纯度要达到一千万分之一以上，才能保持性能的准确性，因而大量制造，在技术上还有困难……。但是，我们相信，随着科学技术的发展，这些困难都会解决的。而半导体给人类带来的幸福将是无法估量的。

当半导体广泛应用来发电，特别是利用太阳能来发电的时候，世界上的动力来源将取之不尽了：在工厂中转动的机器，田野上奔驰的电动拖拉机，都不再用长长的导线从发电站引电了，因为无论是屋顶还是田野，只要太阳光照射到的地方，都是电力供应的地方。沙漠将不再是使人讨厌的地方，人们将利用阳光发电，能迅速地把沙漠变成良田。

当半导体广泛用来检波、整流时，我们不仅有能够放到袋子里的袖珍收音机，还可选出像手表那样大小的收音机和电视机。特别是半导体代替了一般电子管以后，装备巨大而笨重的电子计算机，将变得简单而轻便了。於是，电子计算机，像一只大箱子一样，可以自由地搬来搬去。无论何时何地，都可以帮助人们工作，减轻人们的脑力劳动。半导体还会使自动控制装置进一步完善，一切生产过程都将完全自动化。人们将撤底地从简单的不断重复的劳动中解脱出来，专门从事创造性的劳动。人们控制自然的能力亦会不断增加，真正地成为宇宙的主人。

不仅如此，半导体的应用，将会随着人类对它认识的提高而增加起来。因此，我们可以毫无怀疑地说，半导体也会使农业、医学、天文学、化学工业以及一切科学和生产部门都得到它的好处。