作者:上海普羅新能源有限公司董事長 史珺博士 

四 硅

“靈明一點輝千古　超日月光歸去來。”

----《金剛科儀寶卷》，宗鏡大師（宋）

在20世紀早期，硅的純度沒有超過99%。這時，這種不算純的硅用于鋼和鋁合金的冶煉：特別是硅鋼片，因為具有良好的磁性能、沒有相變和低成本，至今仍用于變壓器疊片。然而，硅作為半導體應用，應歸功于一位叫G. W. Pickard的美國發明家，它致力于尋找一種新的以無線電技術發射信息的檢波器，硅才于1906年首次步入人們的視野。當時G. W. Pickard試驗了大量金屬絲/晶體的復合物，當中一個細金屬絲與晶體復合能得到射頻信號的整流。根據Seitz的說法，Pickard試驗了30000多種復合物：包含方鉛礦的晶體、碳化硅和冶金級別的硅（叢西屋公司獲得，大多為多晶形態）。在1906年，Pickard因采用這種方式利用硅而得到了一項專利的授權。在早期，許多業余愛好者都適用這種檢波器。

硅晶體表面的一些特殊位置----“熱點（Hot Spot）”----具有更好的性能已成為共識。但當時對于這些熱點究竟是什么，并沒有確切的結論。在Pickard獲得專利的同年，Lee DeForrest 發明了真空電子三極管，在其性能被顯著改善后，它取代了短壽命的半導體檢波器。

直到第二次大戰早期，當開展大量對雷達的研究時，關于硅的技術才有大的發展。檢波問題使超高頻率波開始應用，但真空電子管不適合于整流。一位名叫Hans Hollmann的德國人在爆發戰爭前出版了一本關于高頻率技術的書，在書中他總結出在這個頻率范圍內，金屬絲/晶體的復合物裝置對于整流是必要的。另外一位德國人，Juergen Rottgard, 在1938年隨著這些發現總結出硅/鎢復合物是最佳的。

對盟軍來說幸運的是，德軍統帥部對這些可能改變戰爭進程的技術卻絲毫也不感興趣，而德國人的工作結果在一個偶然的機會被早期的英國雷達研究者所看到，特別是Denis Robertson，他勸說另外一位物理學家Herbert Skinner來進行實驗。結果在1940年7月制造出硅/鎢整流裝置，密封在由振動衰減液體覆蓋的玻璃中，硅（仍然是冶金級別的純度）被釬焊在一個可被密封到玻璃管中的鎢棒上。在早些時候（見下文），美國物理學家獨立地發展了一個相似的裝置。不久以后，美國杜邦公司開發了一種制備更純凈的硅的工藝，并開始了英美之間的合作，很快獲得了有效的雷達監測。

這項戰爭年代的工作使許多科學家很認真地把硅看成一種“有用的”電子材料，位于新澤西州的貝爾實驗室十分有遠見和理智地為研究工作掃清了障礙，并在第二次世界大戰后集中精力在該研究上。研究的推動者主要源于物理學家Mervin Kelly博士，1936年他成為貝爾實驗室研究部主任。在他攻讀博士學位期間，他與Millikan(密立根）一起工作，應用其著名的油滴技術來測量電子的電荷，并開始確信基礎研究的重要性；他在20世界20年代加入貝爾實驗室。在1929~1936年的經濟大蕭條而導致人們大量失業期間，Kelly的第一個合約就是雇傭了以迷宮物理學家William Shockley，他在11年后成為發明晶體管的三個人之一。

Shockley 在回憶與Kelly關于長遠目標的討論時說：“電話交換應該由電子控制完成，以代替使用機械裝置如繼電器，因為繼電器有煩瑣的維修問題。Kelly非常明確地強調了這個目標的重要性，給我留下了難以忘記的印象。”可見Kelly在最終決定前，進行了超過十年的戰略規劃。在1938年，他對貝爾實驗室的物理學研究進行改革，動員 Shockley和一名冶金學家、一名物理學家進入一個新的獨立研究組病開展固體物理研究。Kelly堅持這個研究組的科學家只做基礎研究，把后續的發展留給別人去做。作為一個產業的戰略研究，這真是一個革命。

兩名貝爾實驗室雇員，Russell Ohl和George Southworth，在20世紀30年代后期試圖用真空管檢測超高頻無線電波，正如大西洋彼岸的Skinner一樣，他們沒有成功。為了取得進展，Southworth，一名在童年時代就是無線電愛好者，回憶起他的早期硅-細金屬絲的設計并設法從一家二手無線電商店采購了一些舊的裝置。正如他們稍后為Skinner所作的一樣，裝置可以工作了。Russell Ohl 和Southworth作了系統的比較（他們這時并不知道Pickard在1906年做的類似工作），并且再一次把硅作為首選；首選的“熱點”不得不再一次定位。現在的目標是研究“熱點”的本質。

這個時候，冶金學家開始參與了進來。Jack Scaff 和Henry Theuerer在1939年做出硅晶體，并與Ohl和Southworth合作，他們最終在一個硅錠中發現了一個界面，并且界面兩邊表現出不同的性能：整流的功能相反，也就是電流的方向是相反的。冶金學家把兩個性能相反的區域分別命名為n型和p 型。緊接著，Ohl發現一片硅同時包含這兩種類型區域，并且對光照射表現出較強的光電效應。“p-n結”允許硅作為自整流器。冶金學家們開展了艱苦的工作來確定可以決定局部是n型還是p型的雜質元素，最終得出結論，這些元素主要是元素周期表中的第III和第V族元素。這項研究對于以后晶體管的發明是絕對必要的。

1947年，Bardeen基于Shockley的一些實驗，開始接受半導體中“表面態”的觀點（這是一個顯著的理論突破），從N型到P型的轉變與強外場所導致的半導體表面緊密相關，這個觀點與P-N結的知識一起，經過了系統的研究后，直接導致了1947年的晶體管的發明。

(未完待續)