奇妙的半導體

賈敏

三年以前，莫斯科附近的一個工廠制造出了一批非常輕巧的發電器，它可以方便地套在煤油燈的玻璃燈罩上面，不用笨重復雜的機器設備，也不用燃料，只靠煤油燈的熱，就能發出電來足夠一架普通的收音機的應用。（見圖一）。

去年，蘇聯的有些城市的街道上，出現了這樣一種路燈，這種路燈沒有什么電線通向電源，可以說是自己就會發光的。而且天一暗下來自己就會自動發光，照明街道，天亮了也會自動“關上”，不用人管理。

更有趣的，還出現了一種沒有真空管的收音機，只有一兩斤重，小得可以放到口袋或衣袖里去，用起來真是像小筆記本那么方便。不論你走到那里，就是到了荒山或沙漠地帶，只要你高興，就可以拿出來聽北京的廣播，莫斯科的音樂。……

說到這里，或許讀者要問，怎么會出現這樣的“奇跡”呢？原來，科學家們發現了某些物質的特性，利用這些物質就可以發電不用機器，可以自動控制機器，可以用來代替無線電的電子真空管，還可用來作其他許多奇妙的東西。

這些物質就叫做“半導體”。

什么叫半導體？

把物體分為導體與非導體是很早以前的事了。誰都知道，能導電的銅、銀等金屬元素叫做導體；玻璃、木頭、橡皮等物質不能導電，就被稱為非導體（即絕緣體）。

半導體是介於導體與非導體之間的物質，既不像導體那樣容易導電，又不像非導體（絕緣體）不能或者說幾乎不能導電。像矽、鑰、碲、硼、砷、磷以及不少的氧化物與硫化物都是半導體。目前應用最普遍的和最重要的是：稀有金屬“鍺”和世界上數量最多的“矽”。

半導體所以能夠創造許多奇跡，不僅因為它的導電能力介於導體與非導體之間，更重要的是它的導電能力與光和熱有著極其密切的關系。當半導體的溫度增高或受光線照射較強時，它的導電能力就顯著增加；反之，溫度降低或光線照射較弱時，半導體的導電能力就急劇減少。而導體與非導體則沒有這種特性。這也就是半導體不同於其他物質的最主要的特性。

為什么半導體的導電能力介於導體與非導體之間？為什么會因光和熱的變化而改變自己的導電能力呢？

原來，任何物體都是由許許多多原子構成的。每個原子都是由一個原子核和圍繞著原子核轉動的一定數量的電子組成。在非導體中電子和原子核結合得非常牢固；而在導體中，幾乎全部電子與它的原子核結合很不牢固，甚至能離開原子核而自由地在導體內跑來跑去。這種電子叫做“自由電子”。所謂電流現象，就是許多電子順著一定的方向流動。所以，當兩個不同電壓的電極中間連以導體，導體中的“自由電子，”就向一定方向移動，把電由一極導向另一極，這就是產生了電流。如果連以非導體，因為沒有“自由電子”就沒有電子的移動，也就沒有電流現象。導體所以能導電，非導體所以不能導電，道理就在這里。半導體中的電子與原子核的結合既不像導體那樣松弛自由，也不像非導體那樣牢固。因而它們的導電能力也就介於導體與非導體之間了。

我們知道，任何物體內的原子都是不停地振動著；物體受光和熱多時，原子振動劇烈，受光和熱少時則振動緩慢。當半導體中的原子在光和熱的影響下振動劇烈時，它們周圍的電子就互相碰撞，有些電子與原子核結合得不甚牢固，於是就被撞出來成為“自由電子”；在受到光和熱較少時，原子振動緩慢，就很少有電子被撞出來。這就是為什么半導體因光與熱的強弱多寡而增加或減少導電能力的緣故。導體中本來就有自由電子，光與熱對它的影響不大；非導體中的電子與原子核結合得非常牢固，不管原子振動怎樣劇烈，電子也很難被撞出來。所以它們就沒有或者極少隨著光熱的變化而改變自已導電能力的特性。

根據這些特性，就可以讓半導體幫助我們做許許多多的過去不能做的事情。

發電不用機器

在任何一個發電站里，不論它的動力是水力、火力還是原子能，都要具有龐大復雜的機器設備。

可是，半導體卻幫助我們不用機器也能夠來發電。我們把兩塊半導體用導線連接起來，把其中一塊加熱，於是這塊半導體內就產生了很多“自由電子”，與未加熱的一塊，就形成了一個電位差，這樣，溫度高的那塊半導體內的“自由電子”，就向溫度低的那塊半導體流去，電流就產生了。我們只要把兩塊半導體的另外兩端裝上電極聯以導線，并保持這兩塊半導體之間的溫度差，這一些簡單的東西就成為一個完整的半導體發電器了。

利用半導體來發電，會使整個電力工業引起革命。首先，我們能夠直接利用熱能來發電，實現了許多年來的蘿想。過去，工廠里的熱能有80％從鍋爐的煙囪中逃逸出去，要是利用半導體就可以把這些熱能變成電能。其次，“半導體發電器”不需要火力發電那樣的鍋爐、輸機等一套龐大的機器，使發電成本大為降低。而且這種“半導體發電器”特別方便，最輕巧的可以放到一盞煤油燈的燈罩上，利用煤油燈散發出來的熱發出的電力足夠供給一架收音機的使用。蘇聯已經大量生產這種精巧的發電器了。

光與熱一樣，對半導體是有影響的，因而使我們有可能直接利用太陽光來發電了。目前已有這樣的半導體，在陽光照射之下，每一平方公尺大小就能發出50—100瓦的電力，能夠點亮一盞五十支光的電燈。用半導體制成的路燈，在白天能把太陽光變成電能儲蓄起來，到晚上就用這些電能來照明，使整個城市大放光明。

半導體通電后，一端就強烈地發熱，另一端卻冷得結冰，所以半導體可以制成裝置簡單經久耐用的電冰箱，它耗電極少，效能很大。這種裝置與暖氣設備結合起來，不用燒鍋爐，一年四季可以自動地調節室內的溫度，夏天變得涼爽，冬天溫暖如春。

靈敏的“電眼”

我們只知道電會發光發熱，難道電還會看東西嗎？真的，電也會“看”東西的。我們現在已經可以根據半導體跟熱和光有極其密切的關系這個特性用來制造極其精密的儀器和自動控制裝置了，事實上這種儀器和自動控制裝置在某些方面比人眼的本領還要大得多呢！

我們知道，腫瘤在目前仍然是嚴重威協人類生命的疾病之一，其主要原因是病人在生病初期，毫無征象；雖然腫瘤部分的溫度稍微有些增高，但是病人根本覺察不出來，一般的溫度計也量不出來。而當病人感到有病的時候，往往已到了病情嚴重難以醫治的程度。現在利用半導體做成的只有針頭大小的溫度計，卻完全可以測量初期腫瘤的些微溫度變化，因而能使病人得到及時治療。這種溫度計非常非常靈敏，就是一度的百分之幾的溫度變化也能測量出來，這是因為半導體對熱有極其強烈的反應，即使些微的溫度變化，也能引起半導體內電流強度的變化的緣故。

同樣道理，我們可以利用半導體來幫助我們測定地球表面、土壤和植物葉子的溫度，測定電線在不同情況下的強度和溫度。可以用來測知在半公里以外是不是有人來，因為人也是一個發熱的熱源。還可以用來自動控制機器的生產，例如，自動調節鍋爐的燃燒情況：把半導體的裝置和加燃料的機器聯結起來以后，如果爐子溫度增高了，半導體內的電流就加強，促使加燃料的機器的電流中斷，暫時停止加燃；相反，溫度降低，半導體就會使加燃機恢復加燃工作。

半導體不只是使人增加了一只精確地覺察溫度的眼睛，而且還給人增加了一只精確地覺察光線的眼睛。前面已經說過，半導體對光也有強烈的反應。在不受光照射的時候，半導體實際上是不通電流的，光線加強，電流也就隨著加強。因而可以用半導體來辨別光的強度，分析顏色，發現肉眼看不到的放射線，甚至幾十公里以外的放射線也可看到。也可以用來制造自動裝置，例如制造自動計數器：我們把半導體裝置在工廠中的產品自動傳送帶的地方，每當一件產品經過半導體的時候，就擋住了照在半導體上的光線，半導體的電流也就中斷；產品通過后，光線又照到半導體上，電流也就恢復。因而可以正確而又迅速地計算出產品的數量（見圖二）。在工廠中還可以制造出這樣一種自動裝置，工人在生產時一接近危險圈，機器就會自動停頓下來，以保證工人的安全。因為當時半導體所受的光線被遮住了，電流也就馬上中斷，促使機器停止工作。而當工人離開危驗圈后，機器又會自動開動起來。同樣道理，我們可以利用半導體廣泛地制造其他自動控制裝置，如自動開關電路，自動開關街上的路燈，自動開關門戶等等。

精致的整流檢波器

隨著工業技術的發展，我們對直流電的需要將

越來越大。例如電車、電力機車、電鍍、無線電事業、充電等方面都是需要直流電的。此外，當我國黃河、長江上的大水電站建成時，必須把這些巨量的電流送到遙遠的各地，假若還用遠距離輸送高壓的交流電的辦法，是相當浪費的，如果要用直流電來輸送就會節省很多。但是，火力與水力發電站發出的都是交流電。因此，就必須用整流器來把交流電變成直流電。目前所采用的多是水銀蒸氣整流器，這種整流器裝置很復雜，制造起來也相當費事，而且成品昂貴，通電量不大，既笨重又不耐用。在這里，半導體又來幫忙了，我們只要把兩種不同的半導體聯結起來，就成為一個簡單、輕便、耐用而通電量大的整流器。

為什么不同的半導體聯結起來就能起整流的作用呢？原來兩塊不同的半導體聯結起來以后，中間就形成了一層阻擋層。這層阻擋層的電阻會隨著外界流入半導體的電流方向不同而改變：當電流從這個方向流入時，阻擋層的電阻很小，通過的電流量就很大；當電流從另一個方向流入的時候，阻擋層的電阻變得很大，通過的電流量就很小，兩種電流量相比，前者要比后者大上千百倍，因此，后者就可以略去不計。所以，當交流電（交流電就是一下子向這個方向流，一下子又向另一個方向流，這種變化極快，每秒鐘要變五十次）通過這種半導體整流器時，就只能向一個方向流去，成為直流電。目前，已經根據這個原理，用硒和硫化銅制造出性能很好的半導體整流器。

半導體還可以用來做無線電接收機（收音機和電視機等）中的電子管（見圖三）。也就是說它有檢波、整流和放大的作用。所謂檢波作用，就是把我們所需要的電波，從所收到的各種電波中檢出來，并且把這些人所不能聽到看到的電波變成能聽到的聲波和可以看到的光波。檢波過程化就足整流的過程，只是比整流要復雜一些罷了。所以半導體可以做成檢波器，來代替二極電子真空管。所謂放大作用就是把我們所需要的電波加強，也就是使聲音加大。半導體也可以作成放大器來代替三極電子真空管。半導體的檢波器、整流器和放大器比各種電子真空管有許多好處：體積小、重量輕、成本低、制造簡單、耗電量少和經久耐用。因此，半導體的應用，將引起無線電技術上的大革新。

過去和未來

半導體科學是一門年輕的科學。三十年前，人們已發現并開始利用半導體來做檢波的工作，這就是我們熟知的礦石收音機里的礦石。在第二次世界大戰中，為了軍事上的需要，為了用無線電來定們——雷達，就要用高頻率的電磁波——微波，來反射我們所要測定的目的物。微波必須經過檢波器，才能變成人們能夠覺察得到的電磁波。可是，一般的電子真空管都不中用，於是，半導體就被人們重視起來，經過精制以后，用來擔負檢微波的作用。1948年，科學家們發現半導體應用范圍極為廣泛，能夠代替一般的電子真空管。近幾年來，對半導體應用的發現越來越多了。半導體將有著無限的發展前途。

當然，在目前，半導體的廣泛應用還存在一些困難和問題：如，用半導體制造發電器的成本還比較高；由於用來作半導體的物質純度要達到一千萬分之一以上，才能保持性能的準確性，因而大量制造，在技術上還有困難……。但是，我們相信，隨著科學技術的發展，這些困難都會解決的。而半導體給人類帶來的幸福將是無法估量的。

當半導體廣泛應用來發電，特別是利用太陽能來發電的時候，世界上的動力來源將取之不盡了：在工廠中轉動的機器，田野上奔馳的電動拖拉機，都不再用長長的導線從發電站引電了，因為無論是屋頂還是田野，只要太陽光照射到的地方，都是電力供應的地方。沙漠將不再是使人討厭的地方，人們將利用陽光發電，能迅速地把沙漠變成良田。

當半導體廣泛用來檢波、整流時，我們不僅有能夠放到袋子里的袖珍收音機，還可選出像手表那樣大小的收音機和電視機。特別是半導體代替了一般電子管以后，裝備巨大而笨重的電子計算機，將變得簡單而輕便了。於是，電子計算機，像一只大箱子一樣，可以自由地搬來搬去。無論何時何地，都可以幫助人們工作，減輕人們的腦力勞動。半導體還會使自動控制裝置進一步完善，一切生產過程都將完全自動化。人們將撤底地從簡單的不斷重復的勞動中解脫出來，專門從事創造性的勞動。人們控制自然的能力亦會不斷增加，真正地成為宇宙的主人。

不僅如此，半導體的應用，將會隨著人類對它認識的提高而增加起來。因此，我們可以毫無懷疑地說，半導體也會使農業、醫學、天文學、化學工業以及一切科學和生產部門都得到它的好處。