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(fā)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(fù)雜的機器設(shè)備，也不用燃料，只靠煤油燈的熱，就能發(fā)出電來足夠一架普通的收音機的應(yīng)用。（見圖一）。

去年，蘇聯(lián)的有些城市的街道上，出現(xiàn)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(fā)光的。而且天一暗下來自己就會自動發(fā)光，照明街道，天亮了也會自動“關(guān)上”，不用人管理。

更有趣的，還出現(xiàn)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?！?/p>

說到這里，或許讀者要問，怎么會出現(xiàn)這樣的“奇跡”呢？原來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了某些物質(zhì)的特性，利用這些物質(zhì)就可以發(fā)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(zhì)就叫做“半導(dǎo)體”。

什么叫半導(dǎo)體？

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

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

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

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

原來，任何物體都是由許許多多原子構(gòu)成的。每個原子都是由一個原子核和圍繞著原子核轉(zhuǎn)動的一定數(shù)量的電子組成。在非導(dǎo)體中電子和原子核結(jié)合得非常牢固；而在導(dǎo)體中，幾乎全部電子與它的原子核結(jié)合很不牢固，甚至能離開原子核而自由地在導(dǎo)體內(nèi)跑來跑去。這種電子叫做“自由電子”。所謂電流現(xiàn)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(dǎo)體，導(dǎo)體中的“自由電子，”就向一定方向移動，把電由一極導(dǎo)向另一極，這就是產(chǎn)生了電流。如果連以非導(dǎo)體，因為沒有“自由電子”就沒有電子的移動，也就沒有電流現(xiàn)象。導(dǎo)體所以能導(dǎo)電，非導(dǎo)體所以不能導(dǎo)電，道理就在這里。半導(dǎo)體中的電子與原子核的結(jié)合既不像導(dǎo)體那樣松弛自由，也不像非導(dǎo)體那樣牢固。因而它們的導(dǎo)電能力也就介於導(dǎo)體與非導(dǎo)體之間了。

我們知道，任何物體內(nèi)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(dǎo)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(jié)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(dǎo)體因光與熱的強弱多寡而增加或減少導(dǎo)電能力的緣故。導(dǎo)體中本來就有自由電子，光與熱對它的影響不大；非導(dǎo)體中的電子與原子核結(jié)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(dǎo)電能力的特性。

根據(jù)這些特性，就可以讓半導(dǎo)體幫助我們做許許多多的過去不能做的事情。

發(fā)電不用機器

在任何一個發(fā)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(fù)雜的機器設(shè)備。

可是，半導(dǎo)體卻幫助我們不用機器也能夠來發(fā)電。我們把兩塊半導(dǎo)體用導(dǎo)線連接起來，把其中一塊加熱，於是這塊半導(dǎo)體內(nèi)就產(chǎn)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(dǎo)體內(nèi)的“自由電子”，就向溫度低的那塊半導(dǎo)體流去，電流就產(chǎn)生了。我們只要把兩塊半導(dǎo)體的另外兩端裝上電極聯(lián)以導(dǎo)線，并保持這兩塊半導(dǎo)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(dǎo)體發(fā)電器了。

利用半導(dǎo)體來發(fā)電，會使整個電力工業(yè)引起革命。首先，我們能夠直接利用熱能來發(fā)電，實現(xiàn)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(dǎo)體就可以把這些熱能變成電能。其次，“半導(dǎo)體發(fā)電器”不需要火力發(fā)電那樣的鍋爐、輸機等一套龐大的機器，使發(fā)電成本大為降低。而且這種“半導(dǎo)體發(fā)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(fā)出來的熱發(fā)出的電力足夠供給一架收音機的使用。蘇聯(lián)已經(jīng)大量生產(chǎn)這種精巧的發(fā)電器了。

光與熱一樣，對半導(dǎo)體是有影響的，因而使我們有可能直接利用太陽光來發(fā)電了。目前已有這樣的半導(dǎo)體，在陽光照射之下，每一平方公尺大小就能發(fā)出50—100瓦的電力，能夠點亮一盞五十支光的電燈。用半導(dǎo)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(dǎo)體通電后，一端就強烈地發(fā)熱，另一端卻冷得結(jié)冰，所以半導(dǎo)體可以制成裝置簡單經(jīng)久耐用的電冰箱，它耗電極少，效能很大。這種裝置與暖氣設(shè)備結(jié)合起來，不用燒鍋爐，一年四季可以自動地調(diào)節(jié)室內(nèi)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(fā)光發(fā)熱，難道電還會看東西嗎？真的，電也會“看”東西的。我們現(xiàn)在已經(jīng)可以根據(jù)半導(dǎo)體跟熱和光有極其密切的關(guān)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(lǐng)還要大得多呢！

我們知道，腫瘤在目前仍然是嚴重威協(xié)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(yī)治的程度?，F(xiàn)在利用半導(dǎo)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(dǎo)體對熱有極其強烈的反應(yīng)，即使些微的溫度變化，也能引起半導(dǎo)體內(nèi)電流強度的變化的緣故。

同樣道理，我們可以利用半導(dǎo)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(fā)熱的熱源。還可以用來自動控制機器的生產(chǎn)，例如，自動調(diào)節(jié)鍋爐的燃燒情況：把半導(dǎo)體的裝置和加燃料的機器聯(lián)結(jié)起來以后，如果爐子溫度增高了，半導(dǎo)體內(nèi)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(dǎo)體就會使加燃機恢復(fù)加燃工作。

半導(dǎo)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(jīng)說過，半導(dǎo)體對光也有強烈的反應(yīng)。在不受光照射的時候，半導(dǎo)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(dǎo)體來辨別光的強度，分析顏色，發(fā)現(xiàn)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(shù)器：我們把半導(dǎo)體裝置在工廠中的產(chǎn)品自動傳送帶的地方，每當一件產(chǎn)品經(jīng)過半導(dǎo)體的時候，就擋住了照在半導(dǎo)體上的光線，半導(dǎo)體的電流也就中斷；產(chǎn)品通過后，光線又照到半導(dǎo)體上，電流也就恢復(fù)。因而可以正確而又迅速地計算出產(chǎn)品的數(shù)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(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)體廣泛地制造其他自動控制裝置，如自動開關(guān)電路，自動開關(guān)街上的路燈，自動開關(guān)門戶等等。

精致的整流檢波器

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)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(yè)、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(jié)省很多。但是，火力與水力發(fā)電站發(fā)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(fù)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(dǎo)體又來幫忙了，我們只要把兩種不同的半導(dǎo)體聯(lián)結(jié)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(dǎo)體聯(lián)結(jié)起來就能起整流的作用呢？原來兩塊不同的半導(dǎo)體聯(lián)結(jié)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(dǎo)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(dǎo)體整流器時，就只能向一個方向流去，成為直流電。目前，已經(jīng)根據(jù)這個原理，用硒和硫化銅制造出性能很好的半導(dǎo)體整流器。

半導(dǎo)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(fù)雜一些罷了。所以半導(dǎo)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(dǎo)體也可以作成放大器來代替三極電子真空管。半導(dǎo)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(jīng)久耐用。因此，半導(dǎo)體的應(yīng)用，將引起無線電技術(shù)上的大革新。

過去和未來

半導(dǎo)體科學(xué)是一門年輕的科學(xué)。三十年前，人們已發(fā)現(xiàn)并開始利用半導(dǎo)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(zhàn)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(jīng)過檢波器，才能變成人們能夠覺察得到的電磁波?？墒?，一般的電子真空管都不中用，於是，半導(dǎo)體就被人們重視起來，經(jīng)過精制以后，用來擔負檢微波的作用。1948年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體應(yīng)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(dǎo)體應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)越來越多了。半導(dǎo)體將有著無限的發(fā)展前途。

當然，在目前，半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用還存在一些困難和問題：如，用半導(dǎo)體制造發(fā)電器的成本還比較高；由於用來作半導(dǎo)體的物質(zhì)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(shù)上還有困難……。但是，我們相信，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這些困難都會解決的。而半導(dǎo)體給人類帶來的幸福將是無法估量的。

當半導(dǎo)體廣泛應(yīng)用來發(fā)電，特別是利用太陽能來發(fā)電的時候，世界上的動力來源將取之不盡了：在工廠中轉(zhuǎn)動的機器，田野上奔馳的電動拖拉機，都不再用長長的導(dǎo)線從發(fā)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(yīng)的地方。沙漠將不再是使人討厭的地方，人們將利用陽光發(fā)電，能迅速地把沙漠變成良田。

當半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體還會使自動控制裝置進一步完善，一切生產(chǎn)過程都將完全自動化。人們將撤底地從簡單的不斷重復(fù)的勞動中解脫出來，專門從事創(chuàng)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(dǎo)體的應(yīng)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(dǎo)體也會使農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、化學(xué)工業(yè)以及一切科學(xué)和生產(chǎn)部門都得到它的好處。