计算机的核心材料

在电脑中，关键的部件是中央处理器、控制器、存贮器，这些元件都是由集成电路组成的。在现代社会的各种技术进步中，计算机制造技术的进步是最令人鼓舞的。每隔几年，计算机的运算速度就加快一倍，而价格同时却要下降一半，几年前买下的电脑，现在就已经显得落后、过时了。这些令人眼花缭乱的进步，归根到底来源于计算机的核心——构成中央处理器的集成电路的生产技术的进步。集成电路到今天已经走过了小规模集成、中规模集成、大规模、超大规模集成的道路，每块硅片上的电路数目从几百发展到几百万之多。组成芯片的材料没有改变，还是一块单晶硅片。

和光导纤维一样，单晶硅也“出身贫寒”，它们来自地球上随地可见， 其貌不扬的砂子。硅是地球上最丰富的元素之一，占地壳的四分之一，仅次于氧。硅以硅酸盐和氧化物的形式存在，我们平常见到的砂和砂石都是二氧化硅，只是纯度不同，以石英纯度最高。光纤是超高纯度的二氧化硅。而制造硅片首先要经过还原制成高纯度的单质硅。

作为集成电路材料，除了纯度高以外，还需要长成均匀、完整、无缺陷的晶体。目前普遍采用提拉法。在坩埚中装满硅并加热使坩埚里的温度保持在 1685℃，这个温度高出单质硅的熔点 100℃左右，所以坩埚里的单质硅是处在熔融状态。在坩埚上部有一个提拉杆，有机械装置使提拉杆自由升降和旋转。把一小颗单晶硅固定在提拉杆顶端浸入坩埚。这一颗硅晶体就像一颗“种子”引得周围的硅原子在它周围按顺序排列，形成晶体。缓缓提拉并旋转，晶体便逐步长大，拔出来的部分都属于同一块单晶。大的单晶直径达 200 毫米，比胳膊还粗。这样一根晶体内部没有界面、没有缺陷，可以说是人类所能制造最完美的单晶。

晶体生长出来以后，把它切割成片状并抛光，制成晶片。晶片非常均匀、平整、光滑，表面上各处的厚度相差不超过 10 埃，即 1 纳米，等于十亿分之一米。

然后在晶片上加工集成电路，要在绝对无尘的环境中，通过几十道工序， 在晶片上做出许许多多的晶体管及其它元件，再将晶片切割成芯片，每个芯片可以多达百万个晶体管，还要把芯片装在陶瓷封装壳中，便做成了集成块。

在今后相当长的时间内，单晶硅还将继续作为半导体材料的主体，但是， 科技工作者已经在探索性能更优越的材料，砷化镓就是目前大力研究的半导体电子材料。

理论工作者推测，用砷化镓制造晶体管的开关速度比硅晶体管的开关速度快一到四倍，用砷化镓晶体管可以制造出速度更快的电子计算机。

在元素周期表中和镓同族的元素还有铟和铊；与砷同族还有磷、锑。把这两族元素可以组成不同的化合物，以得到不同的电子和光学性质的材料来适应不同用途的需要。和单质不一样，这类半导体都是由化合物组成的，所以叫化合物半导体。

化合物半导体还有许多问题需要解决，例如砷原子最外层有五个电子、镓原子最外层有三个电子，有着根本不同的化学性质和电气性质，要确定这种化合物半导体的表面特性比较困难，另外，要制造像单晶硅那样没有缺陷的晶格也是困难的。

集成电路芯片的集成度越来越高，线度越来越细。电子束、X 射线束都被用来“雕刻”线路图，X 射线的波长可以短到 1 埃，跟晶格上原子间的距离差不多，用这样精细的“刻刀”来雕刻线路，可以刻出几个原子大小的晶体管来。但在实际上，人们估计还没有达到这个尺寸，晶体管就不能以通常的方式工作了。对如此之小的晶体管来说，它的表面太大广。由于表面效应， 连量子力学理论中的测不准原理都可能发生。通俗地讲，到那个时候，电子的运动方向和位置都变得不确定了，当然就无法进行运算和信息存贮。

因此，科学家都未雨绸缪，提出种种设想，设计分子尺寸的晶体管。生物学家提出了“生物芯片”，化学家提出了“分子器件”，但都还没有明确的定义，例如，用分子结构的顺式结构和反式结构来表示二进制中的“ 1” 和“ 0’’两种状态，进行记录和运算；或者用其它互变异构来表示；或像脱氧核氧核酸记录遗传密码那样用碱基对记录信息。这些新奇的想法，都还处在构想和实验中。