元素漫谈（一）硅

硅，原子序数14，是地壳中第二丰富的元素。硅有二十多种同位素，最常见的同位素携带14个中子。

硅矿石（图片来源：http://wyky.cn/）

硅在室温下是固体，熔点非常高，如果不是因为半导体工业，我们应该对硅的单质比较陌生，而对它的化合物比较熟悉，比如，岩石和沙子常由硅的化合物组成。我们熟悉的花岗岩，其主要成分是石英，暗黑破坏神玩家熟知的紫宝石（amethyst）也是含杂质的石英，而石英就是硅的氧化物。暗黑游戏中出现的黄宝石（topaz，俗称黄玉）、绿宝石（emerald、俗称祖母绿）中也含有硅。生活中，硅的化合物更是常见：玻璃含有硅，铝合金含有硅；含有硅的聚合物硅酮（silicone）用于润滑剂、涂层、护发素等多种物品。硅也出现于生物体中。

由左至右：紫宝石，黄玉，祖母绿。（图片来源：wiki相关条目）

因为半导体工业的出现，单质硅也进入了普通人的生活。天然的单质硅不存在，通过去除硅的氧化物中的氧可以得到单质硅，但这不是半导体工业所需要的硅。半导体工业使用的硅，通常是极高纯度的单晶硅，纯度可以高达九个九，要求极为苛刻；平时人们提到的24K金，指金含量不低于99.99%，称为四个九。单晶是另外一个苛刻的要求。晶体是由原子或者分子在空间中按照一定规律周期排列构成的固体，生活中遇到的固体很多是晶体；但大部分晶体不是一个完整的单晶，而是由许多小单晶组成的多晶。现代的硅单晶生长工艺可以长出直径0.3米，长度1米以上的单晶。

从左到右：单晶（有完整的周期性），多晶（有区域内的周期性），无序（无周期性）。（图片来源：http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/atomic-scale-structure/intro.php）

半导体工业需要高质量的硅，这得从二战时的半导体二极管研究说起。那些研究发现，如果半导体器件想要有可重复性，半导体材料本身需要控制杂质。后续的晶体管相关研发工作又将对硅的质量要求推向了一个前所未有的高度。1947年，贝尔实验室发明了晶体管。晶体管和普通电阻的区别在于，普通电阻有一个电流流入端口和一个电流流出端口，流经电阻的电流由电阻上的压降和电阻的本身特性决定；而晶体管有三个端口，第三个端口上所加的电压可以改变其余两个端口所通过的电流。因为种种原因，硅在晶体管市场中最终占据了主导地位（它的竞争对手是锗，是另外一种有意思的元素）。晶体管是信息大厦的“砖头”，2012年，一个CPU上可以有50亿个晶体管，而2012年地球上的人口大约为70亿；现在单个CPU上的晶体管数目已经超过了地球人口数目了。硅出现在构成现实世界的砖头中，也出现在构成信息世界的“砖头”中，这并不完全是偶然，硅本来就是人类最容易获得的元素之一。晶体管的质量稳定可靠需要硅的质量稳定可靠作保证，此外，随着晶体管的大量使用，批量生产晶体管需要大尺度的高质量硅。晶体管的生产工艺中，一个常见的步骤是光刻，它像皮影戏一样，把一块模板上的图案通过光学方法和其他技术辅助“复制”到硅上面。通常来说，一次“复制”的面积越大，则一次能生产的晶体管数量越多，单个晶体管的成本也就越低。早期的“复制”面积是2英寸直径的圆，现在是6英寸或8英寸直径的圆，12英寸直径的工艺也已经投入了使用。面积越大，对硅晶体的质量在几何尺度上的要求越高。太阳能电池中也大量使用单质硅，不过质量要求就低很多。

金属氧化物硅场效应管（MOSFET）是最重要的晶体管之一。图三中给出了MOSFET的示意图，它比常规电阻多出的第三个端口就是图中的Gate（门电极），它可以调节Source（源）和Drain（漏）之间的导通程度。这一套技术中，硅的特殊之处在于它本身就是接近于完美的半导体，允许进行精密掺杂（掺杂是为了改变半导体的导电能力），并且它表面能生长出均匀并且绝缘的氧化层SiO2。如果没有这层氧化层作为绝缘层，门电极处的电子将会进出源和漏之间的通道，门电极上所加的电压将不仅起“裁判员”的作用，还成了“运动员”，场效应管不再起应有的作用。这里所谓的精密掺杂，可以达到一百亿分之一的量级，相当于在全体地球人中准确地只投放一只恐龙。硅器件本身的市场大约是2,000亿美金，看起来不多，但是如果考虑到基于硅器件的各种电子产品和工业生产线，它的经济影响力难以估算；离开它，世界经济恐怕会立即崩溃。

场效应管示意图。（图片来源：commons.wikimedia.org/wiki/File:MOSFET-Cross.png）

MOSFET上最著名的基础物理科研应该是量子霍尔效应。在MOSFET所产生的二维电子气体中，冯∙克利青发现量子霍尔效应。经典的霍尔效应中，霍尔电阻随着磁场线性变化，而量子霍尔效应中的霍尔电阻会出现量子化的平台。朗道的对称性破缺理论可以解释绝大部分的相变现象，量子霍尔效应却是个例外，它属于拓扑相变，描述它需要用到一个数学概念“陈数”，来源于著名数学家陈省身。量子霍尔效应中的量子化电导成了电阻的新定义标准，并且有望很快成为国际单位制的新基石之一。因为量子霍尔效应的意义重大，冯∙克利青仅在发现该现象5年后即获得诺贝尔物理学奖，并且不与任何人分享该年度物理奖，这两者在过去30年中均是非常罕见的。

硅，原子序数14，它连接了石器时代与信息时代。