半导体 [复制链接]

第4版()
专栏：知识小品

半导体
逸清
“半导体”这个名字是根据它的导电性能得来的。世界上许多已知的元素和化合物，按它们的导电性能，介于导体
（金属）与非导体（绝缘体）之间。我们知道，金属（如银、铜）的导电性能非常灵敏，绝缘体（如橡皮、木块）的导电性能却很差，而半导体的导电性能，介于这二者之间。半导体的另一奇妙性能，是它的导电性能对外界条件感觉特别灵敏。周围环境温度的微弱变化，普通的温度计可能根本感觉不到，但是，半导体早已觉察到了。
半导体这种奇妙性能，为什么金属和绝缘体都没有呢？这与它的物质结构有密切联系。无论是金属、绝缘体还是半导体，都有相似的原子结构：中心是原子核，带正电，外层有一系列的轨道，许多带负电的电子沿着这些轨道运动。物体的导电性能，与最外层运行的电子关系最密切。如果最外层的电子受原子核的束缚力很小，它们比较容易脱离轨道，变成自由电子，这些电子就参加物体的导电机构。金属内部就有许多自由电子，因此导电性能很好。如果最外层电子受原子核的束缚力很大，它们就很难脱离自己运行的轨道，变成自由电子，因此导电性能很差，这就是绝缘体的情况。纯粹的半导体中，自由电子数目也是很少的，但是最外层电子沿轨道运行时所受到原子核的束缚力，比绝缘体的要小。因此，只要外界给这些电子一定的能量（如升高温度、加光照、辐射等），它们就会从原子核的束缚下解放出来，变成自由电子，参加导电机构。可见，半导体的导电性能，可以通过外界条件的改变来调节。外界条件的改变，对半导体导电性能改变的灵敏性也非常高。为了更精确地控制半导体的导电性能，往往要先把半导体材料经过化学、物理、冶金提纯的办法做得很纯，然后掺入很少量的杂质，来改变它的导电性能。很少量的杂质（几百万、几千万分之一）就会使半导体的导电性能有很大的变化。因此，半导体材料的提纯工作要求非常严格，它要求的纯度往往是几千万、几亿个该物质原子中也不能有一个其它杂质原子，否则下一步掺入杂质以调节导电性能的作用就不能实现。
用半导体材料可以制成各种器件，最普遍的是晶体二极管和晶体三极管，其它像光电三极管、光电池、温差发电机、致冷设备、红外探测器等等。晶体二极管又可分为功率小、频率很高的检波器和功率较大的整流器两种。检波器用于高频发射、接收、变频等很多方面，是军事通讯的重要元件；整流器可以把交流电变成直流电。晶体三极管有放大讯号、发生讯号等用途。它可以使很小的讯号放大几千倍、几万倍。譬如光电三极管能使微弱的光照变化通过光电机构变成电讯号放大，城市照明的自动控制就可以利用这一原理。当日落西山，需要点灯时，光电三极管会自动开启电源；当旭日东升，阳光充足时，照射在光电三极管上的光量增加，它又会自动关掉灯电源。用半导体材料制成热敏元件，可以用作军事上侦察敌情，在工业上可以用作自动控制温度。这种热敏元件的灵敏度非常高，周围几公里内有什么热源（譬如锅炉等），它都能觉察到。当周围环境温度发生很小变化的时候（往往普通温度计还觉察不到），热敏元件的导电性能就发生变化，发出相应的讯号，来自动调节热源，使温度回到原来的状况。利用半导体热敏元件，可使周围环境温度变化不超过正负零点五度。利用半导体，可以精确地控制温室的光照条件、温度和湿度，便于植物的生长，对农业生产和农业科学研究具有重大意义。
目前，半导体技术的应用已经相当广泛。有些虽然利用真空电子管也能解决，但是，晶体管具有非常大的优越性，最主要的是它体积小，灵敏度高，可靠性强，寿命长，使用方便。一般的真空电子管有灯丝，需要预热，灯丝要烧断，怕震动，寿命有一定限制，体积也大，费电多，因此，在有些场合，如在速度特别高的宇宙飞船、火箭、导弹等系统中，就不能用一般的真空电子管，而要用晶体管。半导体器件是固体元件，既没有灯丝预热，也没有烧断的危险，只要工艺完善，它的寿命几乎是无穷尽的。同样功率的水银整流器和半导体硅［guī］整流器，前者要用几个人抬，而后者可以放在手掌中。一个半导体器件制成的收发报机，只相当于火柴盒的体积。
半导体发展的历史还仅仅十几年，但是，它在无线电电子学中已经占有非常重要的地位。