作者：鎖相（科研工作者，科學公園作者）

硅，原子序數(shù)14，是地殼中第二豐富的元素。硅有二十多種同位素，最常見的同位素攜帶14個中子。

硅礦石（圖片來源：http://wyky.cn/）

硅在室溫下是固體，熔點非常高，如果不是因為半導體工業(yè)，我們應該對硅的單質比較陌生，而對它的化合物比較熟悉，比如，巖石和沙子常由硅的化合物組成。我們熟悉的花崗巖，其主要成分是石英，暗黑破壞神玩家熟知的紫寶石（amethyst）也是含雜質的石英，而石英就是硅的氧化物。暗黑游戲中出現(xiàn)的黃寶石（topaz，俗稱黃玉）、綠寶石（emerald、俗稱祖母綠）中也含有硅。生活中，硅的化合物更是常見：玻璃含有硅，鋁合金含有硅；含有硅的聚合物硅酮（silicone）用于潤滑劑、涂層、護發(fā)素等多種物品。硅也出現(xiàn)于生物體中。

由左至右：紫寶石，黃玉，祖母綠。（圖片來源：wiki相關條目）

因為半導體工業(yè)的出現(xiàn)，單質硅也進入了普通人的生活。天然的單質硅不存在，通過去除硅的氧化物中的氧可以得到單質硅，但這不是半導體工業(yè)所需要的硅。半導體工業(yè)使用的硅，通常是極高純度的單晶硅，純度可以高達九個九，要求極為苛刻；平時人們提到的24K金，指金含量不低于99.99%，稱為四個九。單晶是另外一個苛刻的要求。晶體是由原子或者分子在空間中按照一定規(guī)律周期排列構成的固體，生活中遇到的固體很多是晶體；但大部分晶體不是一個完整的單晶，而是由許多小單晶組成的多晶。現(xiàn)代的硅單晶生長工藝可以長出直徑0.3米，長度1米以上的單晶。

從左到右：單晶（有完整的周期性），多晶（有區(qū)域內的周期性），無序（無周期性）。（圖片來源：http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/atomic-scale-structure/intro.php）

半導體工業(yè)需要高質量的硅，這得從二戰(zhàn)時的半導體二極管研究說起。那些研究發(fā)現(xiàn)，如果半導體器件想要有可重復性，半導體材料本身需要控制雜質。后續(xù)的晶體管相關研發(fā)工作又將對硅的質量要求推向了一個前所未有的高度。1947年，貝爾實驗室發(fā)明了晶體管。晶體管和普通電阻的區(qū)別在于，普通電阻有一個電流流入端口和一個電流流出端口，流經電阻的電流由電阻上的壓降和電阻的本身特性決定；而晶體管有三個端口，第三個端口上所加的電壓可以改變其余兩個端口所通過的電流。因為種種原因，硅在晶體管市場中最終占據(jù)了主導地位（它的競爭對手是鍺，是另外一種有意思的元素）。晶體管是信息大廈的“磚頭”，2012年，一個CPU上可以有50億個晶體管，而2012年地球上的人口大約為70億；現(xiàn)在單個CPU上的晶體管數(shù)目已經超過了地球人口數(shù)目了。硅出現(xiàn)在構成現(xiàn)實世界的磚頭中，也出現(xiàn)在構成信息世界的“磚頭”中，這并不完全是偶然，硅本來就是人類最容易獲得的元素之一。晶體管的質量穩(wěn)定可靠需要硅的質量穩(wěn)定可靠作保證，此外，隨著晶體管的大量使用，批量生產晶體管需要大尺度的高質量硅。晶體管的生產工藝中，一個常見的步驟是光刻，它像皮影戲一樣，把一塊模板上的圖案通過光學方法和其他技術輔助“復制”到硅上面。通常來說，一次“復制”的面積越大，則一次能生產的晶體管數(shù)量越多，單個晶體管的成本也就越低。早期的“復制”面積是2英寸直徑的圓，現(xiàn)在是6英寸或8英寸直徑的圓，12英寸直徑的工藝也已經投入了使用。面積越大，對硅晶體的質量在幾何尺度上的要求越高。太陽能電池中也大量使用單質硅，不過質量要求就低很多。

金屬氧化物硅場效應管（MOSFET）是最重要的晶體管之一。圖三中給出了MOSFET的示意圖，它比常規(guī)電阻多出的第三個端口就是圖中的Gate（門電極），它可以調節(jié)Source（源）和Drain（漏）之間的導通程度。這一套技術中，硅的特殊之處在于它本身就是接近于完美的半導體，允許進行精密摻雜（摻雜是為了改變半導體的導電能力），并且它表面能生長出均勻并且絕緣的氧化層SiO2。如果沒有這層氧化層作為絕緣層，門電極處的電子將會進出源和漏之間的通道，門電極上所加的電壓將不僅起“裁判員”的作用，還成了“運動員”，場效應管不再起應有的作用。這里所謂的精密摻雜，可以達到一百億分之一的量級，相當于在全體地球人中準確地只投放一只恐龍。硅器件本身的市場大約是2,000億美金，看起來不多，但是如果考慮到基于硅器件的各種電子產品和工業(yè)生產線，它的經濟影響力難以估算；離開它，世界經濟恐怕會立即崩潰。

場效應管示意圖。（圖片來源：commons.wikimedia.org/wiki/File:MOSFET-Cross.png）

MOSFET上最著名的基礎物理科研應該是量子霍爾效應。在MOSFET所產生的二維電子氣體中，馮?克利青發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應。經典的霍爾效應中，霍爾電阻隨著磁場線性變化，而量子霍爾效應中的霍爾電阻會出現(xiàn)量子化的平臺。朗道的對稱性破缺理論可以解釋絕大部分的相變現(xiàn)象，量子霍爾效應卻是個例外，它屬于拓撲相變，描述它需要用到一個數(shù)學概念“陳數(shù)”，來源于著名數(shù)學家陳省身。量子霍爾效應中的量子化電導成了電阻的新定義標準，并且有望很快成為國際單位制的新基石之一。因為量子霍爾效應的意義重大，馮?克利青僅在發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象5年后即獲得諾貝爾物理學獎，并且不與任何人分享該年度物理獎，這兩者在過去30年中均是非常罕見的。

硅，原子序數(shù)14，它連接了石器時代與信息時代。