77002/09
生活中，我們覺得很多東西越大越好，比如房子。也有很多東西，我們覺得小一些更好，比如手機(jī)。現(xiàn)在的手機(jī)屏幕通常會做得比較大，但是厚度、重量比二三十年前的“大哥大”要小太多了。我們現(xiàn)在可以“拿著”手機(jī)出門，但大哥大給人的感覺好像要“扛著”它出門?！按蟾绱蟆惫δ芎軉我?，基本上只能打電話；當(dāng)然了，以它那個塊頭，要用來防身也行。如果當(dāng)時(shí)真要把“大哥大”做得像現(xiàn)在手機(jī)，有這么多功能，那就得做得更大，估計(jì)得“背著”出門了——不知道的還以為背的是鋼琴。
最早的計(jì)算機(jī)也是個龐然大物，有好幾層樓那么高，運(yùn)算的時(shí)候需要好多人在里面來回跑來跑去地接線——真是工作健身兩不誤。現(xiàn)在能把電子產(chǎn)品做得這么小、實(shí)現(xiàn)“微型化”，這里面的科學(xué)叫作“微電子學(xué)”。那么是怎么實(shí)現(xiàn)微型化的呢？其實(shí)就是把原來的一大堆東西，變成了一個小小的芯片。變形記對于電腦來說，“芯片”確實(shí)像人的“心臟”一樣重要，但從功能上看，它其實(shí)更像人的大腦。芯片的作用主要有兩方面：一方面是運(yùn)算處理，能像學(xué)理科一樣算出來很多東西；另一方面是數(shù)據(jù)存儲，能像學(xué)文科那樣背下來很多東西。芯片真可以說是“文理雙全”的“最強(qiáng)大腦”。制造芯片所用的是一種半導(dǎo)體材料，叫作“硅”。它的來源特別廣，最主要的來源是一些沙子和碎石，也可以說芯片是用沙子“變”來的。當(dāng)然，把沙子變成芯片靠的不是點(diǎn)石成金，更不是掐訣念咒，而是一套非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)和加工過程。
沙子的主要成分是二氧化硅，制造芯片需要把沙子熔化，通過化學(xué)反應(yīng)將其變成硅單質(zhì)，做成單晶硅的“柱子”，然后像切黃瓜一樣把柱子切成硅片。“芯片”就是以這個硅片為基底，通過蒸發(fā)、濺射、化學(xué)氣相淀積等一系列方法在硅片的表面生成出一層薄膜，然后把這一層薄膜刻成我們需要的圖形。所以我們需要的電學(xué)器件、電路實(shí)際上是通過一層一層膜的圖形化來實(shí)現(xiàn)的，這個過程是在一個平面上進(jìn)行加工，叫作“平面加工工藝”。這有點(diǎn)像我們攤煎餅，會在襯底上先刷一層醬，再刷一層辣椒，再撒蔥花，再放薄脆。芯片加工的過程主要就是反復(fù)生成薄膜，進(jìn)行圖形化的過程。芯片圖案里面的連線非常細(xì)，幾納米或者十幾納米。制作芯片的成本非常高，有時(shí)候做一批芯片可能需要花費(fèi)幾千萬甚至上億人民幣，但可以一次做很多硅片，每張硅片又可以做成很多個小芯片，平均下來一個芯片可能只要幾塊錢、幾十塊錢。為什么要做小？第一是為了微型化，手機(jī)需要做??；第二是為了降低成本，做得越小，一次做出來的數(shù)量越多，成本就越低。什么是半導(dǎo)體芯片的設(shè)計(jì)、加工方法、封裝測試等方面都需要大量的研究，研究芯片的行業(yè)被稱為“半導(dǎo)體行業(yè)”。有的人一聽，會誤以為這個行業(yè)是制造收音機(jī)的，因?yàn)橛冒雽?dǎo)體材料制造的收音機(jī)曾經(jīng)很流行。實(shí)際上半導(dǎo)體這類材料不僅能用來做收音機(jī)，其更大的貢獻(xiàn)在于制作芯片。人們可能對“導(dǎo)體”這個詞很熟悉，像銅、鐵這種具有較好導(dǎo)電特性的材料就被稱為“導(dǎo)體”，而像陶瓷、橡膠這種導(dǎo)電性能極差的材料被稱為“絕緣體”。導(dǎo)體之所以能導(dǎo)電，是因?yàn)槔锩姘舜罅磕軌蜃杂梢苿拥摹皩?dǎo)電粒子”，稱為“載流子”。拿金屬來說，金屬原子的原子核能力有限，而原子最外層的電子特別活潑，原子核“管不住”，就成了“自由電子”。金屬包括大量的自由電子，所以能夠?qū)щ?。而陶瓷中的自由電子極少，幾乎不能導(dǎo)電。顧名思義，“半導(dǎo)體”就是導(dǎo)電性能介于“導(dǎo)體”和“絕緣體”之間的材料，可以說是“兩邊倒”。尤其是摻入一些雜質(zhì)之后的半導(dǎo)體材料，會有一定的導(dǎo)電性，但卻是可以被“操控”的。所以由半導(dǎo)體材料做出來的器件，在某些條件下能夠?qū)щ姡诹硪恍l件下不能導(dǎo)電，具有“讓你導(dǎo)電你就導(dǎo)電，讓你不導(dǎo)電你就不導(dǎo)電”的特點(diǎn)。這樣就可以做出來具有“開關(guān)”的電子元件，而在電子設(shè)備中通常用1和0這種開關(guān)的通斷來表示，再用1和0組成二進(jìn)制的數(shù)字進(jìn)行運(yùn)算和存儲，表達(dá)各種信息，芯片就是利用這樣的原理做出來的。不過，半導(dǎo)體不僅能用來做芯片，還能用來做“炒酸奶”。
如何自制炒酸奶怎么用半導(dǎo)體做“炒酸奶”？當(dāng)然不是把半導(dǎo)體材料作為食材，而是作為加工工具。所謂的“炒酸奶”是用一個能夠制冷的鐵板，把酸奶倒入鍋中，攪和至片狀。這個鍋之所以能制冷，用的就是“半導(dǎo)體制冷片”，其中的原理叫作“第二熱電效應(yīng)”。第二熱電效應(yīng)也叫“珀耳帖效應(yīng)”，這個效應(yīng)是說把兩種不同的導(dǎo)電材料串聯(lián)在一起，通電之后，兩個接頭分別出現(xiàn)吸熱和放熱的現(xiàn)象。我們常用的“半導(dǎo)體制冷片”就是把兩種摻雜不同雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料相串聯(lián)，通電之后一端放熱，而另一端吸熱制冷，形成“熱泵”。
可能有人會說，既然這叫“第二熱電效應(yīng)”，那就肯定有“第一熱電效應(yīng)”呀。確實(shí)，第一熱電效應(yīng)又叫“塞貝克效應(yīng)”，它與第二熱電效應(yīng)的過程正好相反——如果兩種導(dǎo)體或者半導(dǎo)體組成一個回路，兩端接觸點(diǎn)的溫度不同（比如把兩個端頭分別放在冷水和熱水中），就會產(chǎn)生電流，也會有相應(yīng)的電壓。利用這種現(xiàn)象，就可以把溫度信號轉(zhuǎn)化成電信號來測量溫度，所謂“溫差發(fā)電機(jī)”利用的就是這個原理。其實(shí)還有“第三熱電效應(yīng)”（也叫“湯姆遜效應(yīng)”），說的是一個導(dǎo)體或半導(dǎo)體，如果兩端有溫差并且有電流通過的話，就會吸熱或者放熱（除了電阻產(chǎn)熱以外）。“炒酸奶”的機(jī)器和一些車載冰箱利用的都是“第二熱電效應(yīng)”。其實(shí)你從網(wǎng)上買個半導(dǎo)體制冷片，放在平底鍋或者鐵板下進(jìn)行改造，沒準(zhǔn)就能自制炒酸奶的機(jī)器。要是在半導(dǎo)體制冷片上再加一個塑料泡沫箱子，還能自制一個簡易冰箱。不過自制的時(shí)候要特別注意用電安全哦。如此說來，手機(jī)、沙子和炒酸奶的共同之處就在于，都和半導(dǎo)體材料有著“糾纏不清”的關(guān)系。
作者：張宇識編輯：吳青排版：雷穎題圖來源：圖蟲創(chuàng)意來源：我是科學(xué)家iScientist編輯：米老貓↓ 點(diǎn)擊標(biāo)題即可查看 ↓1. 為什么不倒翁小姐姐能搖一晚上不倒？2. 如果在家考，作弊就很容易嗎？3. 「我給你 37 美元，求求你把這桶油搬走吧」4. 老師隔離后用射擊游戲上網(wǎng)課，真不怕學(xué)生看完更想玩游戲？5. 被五步蛇咬，走幾步才最安全？6. 我們從不騙你，除非……你不懂物理7. 為什么菜油倒海上能救命？這道題美國學(xué)霸國父也不會做8. 為什么有 32 個關(guān)卡的超級馬里奧兄弟只要 64KB？9. 十大物理效應(yīng)，一次看個夠！10. 方程 E = mc2 中，m 的能量從何而來？
最早的計(jì)算機(jī)也是個龐然大物，有好幾層樓那么高，運(yùn)算的時(shí)候需要好多人在里面來回跑來跑去地接線——真是工作健身兩不誤。現(xiàn)在能把電子產(chǎn)品做得這么小、實(shí)現(xiàn)“微型化”，這里面的科學(xué)叫作“微電子學(xué)”。那么是怎么實(shí)現(xiàn)微型化的呢？其實(shí)就是把原來的一大堆東西，變成了一個小小的芯片。變形記對于電腦來說，“芯片”確實(shí)像人的“心臟”一樣重要，但從功能上看，它其實(shí)更像人的大腦。芯片的作用主要有兩方面：一方面是運(yùn)算處理，能像學(xué)理科一樣算出來很多東西；另一方面是數(shù)據(jù)存儲，能像學(xué)文科那樣背下來很多東西。芯片真可以說是“文理雙全”的“最強(qiáng)大腦”。制造芯片所用的是一種半導(dǎo)體材料，叫作“硅”。它的來源特別廣，最主要的來源是一些沙子和碎石，也可以說芯片是用沙子“變”來的。當(dāng)然，把沙子變成芯片靠的不是點(diǎn)石成金，更不是掐訣念咒，而是一套非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)和加工過程。沙子的主要成分是二氧化硅，制造芯片需要把沙子熔化，通過化學(xué)反應(yīng)將其變成硅單質(zhì)，做成單晶硅的“柱子”，然后像切黃瓜一樣把柱子切成硅片。“芯片”就是以這個硅片為基底，通過蒸發(fā)、濺射、化學(xué)氣相淀積等一系列方法在硅片的表面生成出一層薄膜，然后把這一層薄膜刻成我們需要的圖形。所以我們需要的電學(xué)器件、電路實(shí)際上是通過一層一層膜的圖形化來實(shí)現(xiàn)的，這個過程是在一個平面上進(jìn)行加工，叫作“平面加工工藝”。這有點(diǎn)像我們攤煎餅，會在襯底上先刷一層醬，再刷一層辣椒，再撒蔥花，再放薄脆。芯片加工的過程主要就是反復(fù)生成薄膜，進(jìn)行圖形化的過程。芯片圖案里面的連線非常細(xì)，幾納米或者十幾納米。制作芯片的成本非常高，有時(shí)候做一批芯片可能需要花費(fèi)幾千萬甚至上億人民幣，但可以一次做很多硅片，每張硅片又可以做成很多個小芯片，平均下來一個芯片可能只要幾塊錢、幾十塊錢。為什么要做小？第一是為了微型化，手機(jī)需要做??；第二是為了降低成本，做得越小，一次做出來的數(shù)量越多，成本就越低。什么是半導(dǎo)體芯片的設(shè)計(jì)、加工方法、封裝測試等方面都需要大量的研究，研究芯片的行業(yè)被稱為“半導(dǎo)體行業(yè)”。有的人一聽，會誤以為這個行業(yè)是制造收音機(jī)的，因?yàn)橛冒雽?dǎo)體材料制造的收音機(jī)曾經(jīng)很流行。實(shí)際上半導(dǎo)體這類材料不僅能用來做收音機(jī)，其更大的貢獻(xiàn)在于制作芯片。人們可能對“導(dǎo)體”這個詞很熟悉，像銅、鐵這種具有較好導(dǎo)電特性的材料就被稱為“導(dǎo)體”，而像陶瓷、橡膠這種導(dǎo)電性能極差的材料被稱為“絕緣體”。導(dǎo)體之所以能導(dǎo)電，是因?yàn)槔锩姘舜罅磕軌蜃杂梢苿拥摹皩?dǎo)電粒子”，稱為“載流子”。拿金屬來說，金屬原子的原子核能力有限，而原子最外層的電子特別活潑，原子核“管不住”，就成了“自由電子”。金屬包括大量的自由電子，所以能夠?qū)щ?。而陶瓷中的自由電子極少，幾乎不能導(dǎo)電。顧名思義，“半導(dǎo)體”就是導(dǎo)電性能介于“導(dǎo)體”和“絕緣體”之間的材料，可以說是“兩邊倒”。尤其是摻入一些雜質(zhì)之后的半導(dǎo)體材料，會有一定的導(dǎo)電性，但卻是可以被“操控”的。所以由半導(dǎo)體材料做出來的器件，在某些條件下能夠?qū)щ姡诹硪恍l件下不能導(dǎo)電，具有“讓你導(dǎo)電你就導(dǎo)電，讓你不導(dǎo)電你就不導(dǎo)電”的特點(diǎn)。這樣就可以做出來具有“開關(guān)”的電子元件，而在電子設(shè)備中通常用1和0這種開關(guān)的通斷來表示，再用1和0組成二進(jìn)制的數(shù)字進(jìn)行運(yùn)算和存儲，表達(dá)各種信息，芯片就是利用這樣的原理做出來的。不過，半導(dǎo)體不僅能用來做芯片，還能用來做“炒酸奶”。如何自制炒酸奶怎么用半導(dǎo)體做“炒酸奶”？當(dāng)然不是把半導(dǎo)體材料作為食材，而是作為加工工具。所謂的“炒酸奶”是用一個能夠制冷的鐵板，把酸奶倒入鍋中，攪和至片狀。這個鍋之所以能制冷，用的就是“半導(dǎo)體制冷片”，其中的原理叫作“第二熱電效應(yīng)”。第二熱電效應(yīng)也叫“珀耳帖效應(yīng)”，這個效應(yīng)是說把兩種不同的導(dǎo)電材料串聯(lián)在一起，通電之后，兩個接頭分別出現(xiàn)吸熱和放熱的現(xiàn)象。我們常用的“半導(dǎo)體制冷片”就是把兩種摻雜不同雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料相串聯(lián)，通電之后一端放熱，而另一端吸熱制冷，形成“熱泵”。可能有人會說，既然這叫“第二熱電效應(yīng)”，那就肯定有“第一熱電效應(yīng)”呀。確實(shí)，第一熱電效應(yīng)又叫“塞貝克效應(yīng)”，它與第二熱電效應(yīng)的過程正好相反——如果兩種導(dǎo)體或者半導(dǎo)體組成一個回路，兩端接觸點(diǎn)的溫度不同（比如把兩個端頭分別放在冷水和熱水中），就會產(chǎn)生電流，也會有相應(yīng)的電壓。利用這種現(xiàn)象，就可以把溫度信號轉(zhuǎn)化成電信號來測量溫度，所謂“溫差發(fā)電機(jī)”利用的就是這個原理。其實(shí)還有“第三熱電效應(yīng)”（也叫“湯姆遜效應(yīng)”），說的是一個導(dǎo)體或半導(dǎo)體，如果兩端有溫差并且有電流通過的話，就會吸熱或者放熱（除了電阻產(chǎn)熱以外）。“炒酸奶”的機(jī)器和一些車載冰箱利用的都是“第二熱電效應(yīng)”。其實(shí)你從網(wǎng)上買個半導(dǎo)體制冷片，放在平底鍋或者鐵板下進(jìn)行改造，沒準(zhǔn)就能自制炒酸奶的機(jī)器。要是在半導(dǎo)體制冷片上再加一個塑料泡沫箱子，還能自制一個簡易冰箱。不過自制的時(shí)候要特別注意用電安全哦。如此說來，手機(jī)、沙子和炒酸奶的共同之處就在于，都和半導(dǎo)體材料有著“糾纏不清”的關(guān)系。作者：張宇識編輯：吳青排版：雷穎題圖來源：圖蟲創(chuàng)意來源：我是科學(xué)家iScientist編輯：米老貓↓ 點(diǎn)擊標(biāo)題即可查看 ↓1. 為什么不倒翁小姐姐能搖一晚上不倒？2. 如果在家考，作弊就很容易嗎？3. 「我給你 37 美元，求求你把這桶油搬走吧」4. 老師隔離后用射擊游戲上網(wǎng)課，真不怕學(xué)生看完更想玩游戲？5. 被五步蛇咬，走幾步才最安全？6. 我們從不騙你，除非……你不懂物理7. 為什么菜油倒海上能救命？這道題美國學(xué)霸國父也不會做8. 為什么有 32 個關(guān)卡的超級馬里奧兄弟只要 64KB？9. 十大物理效應(yīng)，一次看個夠！10. 方程 E = mc2 中，m 的能量從何而來？
