点石成金——半导体的出现

半导体是常温下导电性能介于导体和绝缘体的一种介质，是个物理名词。作为一种商品，出现的时间也仅有几十年，是一种新出现的材料。

半导体做为一种介质，最早是被英国电学家法拉第发现的：在给硫化银通电后，温度升高的时候，电流通过率变小，温度降低时，电流通过率变大。这与其它金属的电导率效应是相反的。其它金属随着温度的上升，金属内部的晶体就会振荡加剧，阻碍自由电子的移动，导致电阻变大。硫化银的实验代表了某一类物质：它们具有一定的导电性，但又不同于金属，会随着环境的变化变得导电或绝缘。这是半导体现象的首次发现。

法拉第发表的论文

1839年法国物理学家贝克莱尔发现半导体和电解质会打结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们制造太阳能光伏板原理的光生伏特效应。这是半导体的第二个特性。

1873年，英国的史密斯发现硅晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，后来制造的二极管就是应用了这种半导体特性，被称为半导体的第三种特性。

在1874年，德国物理学家布劳恩发现某些金属硫化物具有使电流单方向通过的特性，并利用半导体的这个特性制成了无线通信技术中不可或缺的检波器，开创了人类研究半导体的先例。这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第四种特性。

二极管矿石机

1941年，开发出战时雷达微波探测器所用的高纯度锗和硅晶体的生产技术。1947年，贝尔实验室的巴丁、布拉顿在锗点接触器中实现了晶体管作用。

20世纪50年代，为了改善晶体管特性，提高其稳定性，半导体材料的制备技术得到了迅速发展。尽管硅在微电子技术应用方面取得了巨大成功，但是硅材料由于受间接带隙的制约，在硅基发光器件的研究方面进展缓慢。

1951年，凡恩（William Pfann）与亨利（Henry Theurer）开发了用于超纯半导体材料的区域熔炼技术。1954年，莫尔斯（Mooris Tanenbaum）在贝尔实验室制造了第一个硅晶体管。

硅晶体管

至此，点石成金开始！

1965年以分立器件（二极管、三极管）为主的晶体管，开始使用少量的32毫米小晶圆。之后经过50毫米、76毫米的发展，到1975年100毫米单晶硅片开始在全球市场上普及，直到1999年前都是200毫米晶圆的天下。1999年日本信越化工开始投产300毫米晶圆生产线，在2020年，450mm的晶圆产线也将开始投入使用。

硅是一种非金属元素，作为地壳第二丰富的元素，约占总地壳总质量的26.4%，我们平时去的海滩、高山、岩石等的主要成份就是硅。虽然地壳中的硅元素含量很多，但都是以化合物的形式存在的，如二氧化硅、硅酸盐等。想要利用硅，还是要从提纯开始。

在硅提纯的过程中，原材料硅将被熔化，并放进一个巨大的石英熔炉，对，就像制作玻璃一样。这时向熔炉里放入一颗纯硅晶种，以便硅晶体围着这颗晶种生长，直到形成一个几近完美的单晶硅。这个过程，就像制作豆浆，将黄豆加水打成浆后，加高温至沸腾，然后向豆浆里加入碳酸钙，这个碳酸钙就是豆腐脑的晶种。

冰晶的形成过程

提纯后的硅是以硅锭的形式呈现的，目前的硅超纯提取技术中，大部分可以使硅锭的直径达到200毫米，而CPU的厂商则将硅锭的直径增加到300毫米。将硅锭美容成美完的圆柱体，并将这个圆柱体切割成片，这个硅锭，也就成了晶圆。晶圆将变为CPU的“基座”，在基座上将划分更多细小的区域，每个区域都将成为CPU的“内核”。硅锭分割的越薄，晶圆越薄，单位体积的硅锭可生产的CPU就越多。

硅锭

至此，硅的前期点石成金过程便结束了。后期，将会对晶圆进行蚀刻、酸洗、影印、封闭等处理，直到完成封装测试，变成CPU销售。而硅，则由几十元一吨，变成了按克销售。

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