神奇的半导体

在凯利问及肖克莱沿着什么方向研究才最有可能在器件革命上产生突破进展时，为什么回答会正好是半导体呢？这当然离不开肖克莱的高瞻远瞩， 可也是基于当时世界各国正在研究半导体的现实而得出的结论。

事实上，早在 1878 年就有人发现一种名叫方铅矿的晶体具有一种特殊的导电性能，即只允许电流以一个方向通过，称为单向导电性。开始，无人意识到这种物质有什么应用价值，直到马可尼发明了无线电报通信后，在接收机中需要一种检波装置，即只允许高频电流单向通过的装置，这时人们才想起方铅矿石。但利用矿石做成的检波器性能并不很稳定，在佛莱明发明了真空二极管并利用它做检波器后，人们就不再使用矿石了。岁月流逝，无线电通信的范围伸展到短波和超短波频段后，真空二级管的结构使之无法胜任这些频段的检波工作，这让人们重又回到矿石检波器。不过这回使用的不是天然矿石晶体，而是经过提炼和加工过的半导体锗和硅。因顾这段历史，我们发现科学的发展和世界上任何事物的发展是服从同样一个规律的，总是螺旋式地上升着。

自然界中的物质根据其导电性能可划为三类。大多数的金属有许多电子可以导电，电阻值很小，因此日常生活中我们会用金属导线来连接电灯和电源插座，这些物质称为导体；也有一些材料如玻璃、橡皮和大多数的塑料内部没有可传导的电子，这些物质则称之为绝缘体；另外还有一些物质譬如锗、硅，它们的导电性介于其中，它们内部有些自由电子，但不足以使之成为电流的良导体，特别是当它们是很纯净的材料时，情况更是如此，这些物质就是半导体。

尽管纯净的半导体导电性能很差，但我们可以通过一道独特工序来改变它的导电性能。这道工序称为掺杂，即用某种不同元素的原子代替硅晶体内的原子。

我们知道硅在元素周期表位于第Ⅳ族，有四个价电子，如果选用带五个价电子的原子譬如磷原子进行掺杂，由于它比硅原子多一个电子，这样就有可能提供一个额外的自由电子，这个电子就可用于传导电流，从而大大改善半导体的导电性能，用这种掺杂方式形成的硅片称为 N 型硅。伺样，如果我们掺杂的元素是只带三个价电子的硼，那么硅晶格中原来的由第四个价电子占据的地方现在成了空穴（即表示接受电子后还留有空余的地方），这些空穴显然带正电，它也能改善半导体的导电性，这样方式形成的掺杂硅称为 P 型硅。

显然，掺入的杂质越多，可导电的电荷也就越多，导电性能当然就越好， 因此，半导体导电性能的好坏完全取决于掺杂的情况。