什么是半导体，它有什么作用？
半导体是一种材料，它对电流的反应方式具有某些独特的特性。这种材料对一个方向电流流动的阻力比另一个方向电流流动的阻力小得多。半导体的导电性介于良导体(如铜)和绝缘体(如橡胶)之间。因此，用了半导体的名字。半导体也是一种材料，它的导电性可以通过温度、应用场或添加杂质的变化而改变(称为掺杂)。
虽然半导体不是一项发明，也没有人发明半导体，但有许多发明都是半导体器件。半导体材料的发现使电子学领域取得了巨大而重要的进步。我们需要半导体来实现计算机和计算机部件的小型化。我们需要半导体来制造电子部件，如二极管、晶体管和许多光伏电池。
半导体材料包括元素硅和锗，以及化合物砷化镓、硫化铅或磷化铟。还有许多其他的半导体。甚至某些塑料也可以半导体化，使塑料发光二极管(led)变得灵活，可以被塑造成任何想要的形状。
什么是电子掺杂?
“掺杂”是使硅和锗等半导体准备用于二极管和晶体管的过程。未掺杂的半导体实际上是绝缘体，绝缘性不是很好。它们形成了一个晶体图案，每个电子都有一个固定的位置。大多数半导体材料有四个价电子，四个电子在外层。把1%或2%的具有5个价电子的原子(如砷)和4个价电子的半导体(如硅)放在一起，有趣的事情就发生了。砷原子的数量不足以影响整个晶体结构。5个电子中有4个的使用方式与硅相同。第五个原子在结构中不太合适。它仍然喜欢挂在砷原子附近，但不会被紧紧抓住。很容易把它敲松，让它穿过材料。掺杂的半导体比未掺杂的半导体更像导体。你也可以在半导体上涂上三电子原子，如铝。铝融入了晶体结构，但现在晶体结构少了一个电子。这就是所谓的洞。让相邻的电子移动到空穴中就像让空穴移动一样。把一个电子掺杂半导体(n型)和一个空穴掺杂半导体(p型)放在一起就形成了一个二极管。其他组合创造了诸如晶体管等设备。
半导体的历史
1782年，亚历山德罗·沃尔塔首次使用了“半导体”一词。
1833年，迈克尔·法拉第第一个观察到半导体效应。法拉第观察到硫化银的电阻随温度的升高而降低。1874年，卡尔·布劳恩发现并记录了第一个半导体二极管效应。布劳恩观察到，当金属点与方铅矿晶体接触时，电流只向一个方向自由流动。
1901年，第一个被称为“猫须”的半导体装置获得了专利。该设备由Jagadis Chandra Bose发明。猫须是一种用于探测无线电波的点接触半导体整流器。
晶体管是一种由半导体材料组成的器件。约翰·巴丁、沃尔特·布拉顿和威廉·肖克利都于1947年在贝尔实验室共同发明了晶体管。
半导体是个好东西，不仅能做芯片，还能用来做“炒酸奶”
生活中，我们觉得很多东西越大越好，比如房子。
也有很多东西，我们觉得小一些更好，比如手机。
现在的手机屏幕通常会做得比较大，但是厚度、重量比二三十年前的“大哥大”要小太多了。我们现在可以“拿着”手机出门，但大哥大给人的感觉好像要“扛着”它出门。“大哥大”功能很单一，基本上只能打电话；当然了，以它那个块头，要用来防身也行。如果当时真要把“大哥大”做得像现在手机，有这么多功能，那就得做得更大，估计得“背着”出门了——不知道的还以为背的是钢琴。
最早的计算机也是个庞然大物，有好几层楼那么高，运算的时候需要好多人在里面来回跑来跑去地接线——真是工作健身两不误。现在能把电子产品做得这么小、实现“微型化”，这里面的科学叫作“微电子学” 。那么是怎么实现微型化的呢？其实就是把原来的一大堆东西，变成了一个小小的芯片。
变形记
对于电脑来说，“芯片”确实像人的“心脏”一样重要，但从功能上看，它其实更像人的大脑 。芯片的作用主要有两方面：一方面是运算处理 ，能像学理科一样算出来很多东西；另一方面是数据存储 ，能像学文科那样背下来很多东西。芯片真可以说是“文理双全”的“最强大脑”。
制造芯片所用的是一种半导体材料，叫作“硅”。它的来源特别广，最主要的来源是一些沙子和碎石，也可以说芯片是用沙子“变”来的 。当然，把沙子变成芯片靠的不是点石成金，更不是掐诀念咒，而是一套非常复杂的设计和加工过程。
沙子的主要成分是二氧化硅 ，制造芯片需要把沙子熔化，通过化学反应将其变成硅单质，做成单晶硅的“柱子”，然后像切黄瓜一样把柱子切成硅片。“芯片”就是以这个硅片为基底，通过蒸发、溅射、化学气相淀积等一系列方法在硅片的表面生成出一层薄膜，然后把这一层薄膜刻成我们需要的图形。
所以我们需要的电学器件、电路实际上是通过一层一层膜的图形化来实现的 ，这个过程是在一个平面上进行加工，叫作“平面加工工艺 ”。这有点像我们摊煎饼，会在衬底上先刷一层酱，再刷一层辣椒，再撒葱花，再放薄脆。芯片加工的过程主要就是反复生成薄膜，进行图形化的过程。
芯片图案里面的连线非常细，几纳米或者十几纳米。制作芯片的成本非常高，有时候做一批芯片可能需要花费几千万甚至上亿人民币 ，但可以一次做很多硅片，每张硅片又可以做成很多个小芯片，平均下来一个芯片可能只要几块钱、几十块钱。为什么要做小？第一是为了微型化 ，手机需要做小；第二是为了降低成本 ，做得越小，一次做出来的数量越多，成本就越低。
什么是半导体
芯片的设计、加工方法、封装测试等方面都需要大量的研究，研究芯片的行业被称为“半导体行业 ”。有的人一听，会误以为这个行业是制造收音机的，因为用半导体材料制造的收音机曾经很流行。实际上半导体这类材料不仅能用来做收音机，其更大的贡献在于制作芯片 。
人们可能对“导体”这个词很熟悉，像铜、铁这种具有较好导电特性的材料就被称为“导体 ”，而像陶瓷、橡胶这种导电性能极差的材料被称为“绝缘体 ”。导体之所以能导电，是因为里面包含了大量能够自由移动的“导电粒子” ，称为“载流子 ”。拿金属来说，金属原子的原子核能力有限，而原子最外层的电子特别活泼，原子核“管不住”，就成了“自由电子”。金属包括大量的自由电子，所以能够导电。而陶瓷中的自由电子极少，几乎不能导电。
顾名思义，“半导体”就是导电性能介于“导体”和“绝缘体”之间的材料，可以说是“两边倒”。尤其是掺入一些杂质之后的半导体材料，会有一定的导电性，但却是可以被“操控”的。所以由半导体材料做出来的器件，在某些条件下能够导电，而在另一些条件下不能导电，具有“让你导电你就导电，让你不导电你就不导电”的特点 。这样就可以做出来具有“开关”的电子元件，而在电子设备中通常用1和0这种开关的通断来表示，再用1和0组成二进制的数字进行运算和存储，表达各种信息，芯片就是利用这样的原理做出来的。
不过，半导体不仅能用来做芯片，还能用来做“炒酸奶”。
如何自制炒酸奶
怎么用半导体做“炒酸奶”？当然不是把半导体材料作为食材，而是作为加工工具。所谓的“炒酸奶”是用一个能够制冷的铁板，把酸奶倒入锅中，搅和至片状 。这个锅之所以能制冷，用的就是“半导体制冷片 ”，其中的原理叫作“第二热电效应 ”。
第二热电效应也叫“珀耳帖效应 ”，这个效应是说把两种不同的导电材料串联在一起，通电之后，两个接头分别出现吸热和放热的现象 。我们常用的“半导体制冷片”就是把两种掺杂不同杂质的半导体材料相串联，通电之后一端放热，而另一端吸热制冷，形成“热泵 ”。
可能有人会说，既然这叫“第二热电效应”，那就肯定有“第一热电效应 ”呀。确实，第一热电效应又叫“塞贝克效应 ”，它与第二热电效应的过程正好相反——如果两种导体或者半导体组成一个回路，两端接触点的温度不同（比如把两个端头分别放在冷水和热水中），就会产生电流，也会有相应的电压。利用这种现象，就可以把温度信号转化成电信号来测量温度 ，所谓“温差发电机 ”利用的就是这个原理。
其实还有“第三热电效应 ”（也叫“汤姆逊效应 ”），说的是一个导体或半导体，如果两端有温差并且有电流通过的话，就会吸热或者放热（除了电阻产热以外）。
“炒酸奶”的机器和一些车载冰箱利用的都是“第二热电效应”。其实你从网上买个半导体制冷片，放在平底锅或者铁板下进行改造，没准就能自制炒酸奶的机器。要是在半导体制冷片上再加一个塑料泡沫箱子，还能自制一个简易冰箱。不过自制的时候要特别注意用电安全哦。
如此说来，手机、沙子和炒酸奶的共同之处就在于，都和半导体材料有着“纠缠不清”的关系。
作者：张宇识
编辑：吴青
排版：雷颖
题图来源：图虫创意
来源：我是科学家iScientist
编辑：米老猫
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