【元素家族——連載93】開啟計算機時代的硅元素

我們花了很多篇幅說了二氧化硅和硅酸鹽的故事，真正的幕後主角：硅還沒有現身呢。也確實，在歷史上，將硅分離出來是一件很難的事情，所以人們很晚才見到它的真面目。人們得到單質硅以後，它又默默無聞了很久。一直到20世紀下半葉，它才成功的逆襲上位，成為人類未來科技的重要元素。

【較純的硅晶體，是這副黑溜溜的模樣。】

說到硅的發現史，又是一長串熟悉的名字：

1787年，拉瓦錫認識到石英中含有一種元素，他將它列在第一份元素名單里，名字叫silice，意思是石英。

在鋁篇章里，我們已經提過了，1808年，戴維信心滿棚的宣布他發現了四種元素的跡象，石英里的元素是其中之一，因為他相信這種新元素是一種金屬元素，所以他將這種新元素命名為silicium。

戴維並沒有得到一丁點純硅，在他之後，1811年蓋呂薩克先製得了四氟化硅，然後他嘗試用鉀去還原它，得到了一些無定形硅，但實在是不純，無法進一步作分析研究。

1817年，英國化學家托馬斯*湯姆森提出硅應該是一種非金屬，所以他建議用silicon這個名字，類似碳的carbon和硼的boron，這個名字一直沿用至今。

1823年，經過之前幾位中場大師的傳遞配合，最終還是大牛貝采尼烏斯完成了「破門」，他用鉀還原氟硅酸鉀，得到了一團棕色粉末，他將粉末反覆沖洗，最終得到了較純凈的無定形硅。地球上第二多的元素終於見天日了。

【化學教父，貝采尼烏斯，硅元素的發現者。】

我們前面提到，無定形硅類似無定形碳。雖然化學家們知道水晶的結構類似鑽石，但是水晶畢竟是二氧化硅，不是純硅的晶體，他們還是迫切的想看看較純凈的硅晶體是什麼樣的。

一直到了發現硅元素31年之後，1854年，法國人德維爾將無定形硅跟氯化鈉、氯化鋁混合，然後電解，第一次得到了較純的晶體硅。

【法國人德維爾，第一個得到硅晶體的人。】

硅被發現以後，沒有太引起大家的重視，它的熔點很高，高達1410度，莫氏硬度6.5，都比石英要稍微差一點。它的化學性質比較穩定，不太容易和其他物質發生反應。常溫下，它只能和鹼、氫氟酸反應，這讓它看起來似乎找不到什麼用處

但是到了高溫，它就活潑起來，它和氧的化學親和力尤其強大，很喜歡從金屬氧化物里把氧奪過來。所以用它來還原氧化物，是再好不過的。

用石英、焦炭和鋼混合，加熱到1500度以上，得到硅鐵合金。這是一種很有用的合金，世界上80%的硅用在這裡。它的有用不是體現在做材料，而是用在鍊鋼，起到脫氧的作用。這就是用到了硅和氧親和力超強的原理，同樣，硅鐵合金也可以用來還原氧化鎂等金屬。

【硅鐵合金。】

很多物質純度高到一定程度以後，其化學性質會變的完全不一樣。之前提到的硼是如此，硅也是如此。

將石英和木炭混合，加熱到1900度以上，通電讓它們電解，可以得到98%以上的硅，被稱為冶金級硅。由於其中含有一些金屬，也叫它金屬硅，或者硅金屬。這種硅材料已經商品化，主要被用於生產白炭黑和有機硅，以及繼續純化，生產更加純凈的硅。

【灰不溜秋的硅金屬】

讓氯化氫和粗硅粉反應生成氯硅烷，然後讓氯硅烷在氫氣氣氛的還原爐中還原沉積，就得到了比較純凈的硅晶體，純度可以達到四個九，也就是99.99%。這種硅晶體雖然已經如此純凈，但是其內部存在很多種結晶方向，不是一整塊大晶體，稱為多晶硅。

科學家們還不滿意，他們繼續將多晶硅熔融，將一塊比較規則的種子晶體慢慢浸入硅熔體中，逐漸冷卻，讓硅晶體在種子晶體上慢慢生長，最終可以得到一塊完美的硅晶體，這就是單晶硅。在單晶硅里，硅原子以鑽石的晶格排列方式排成正四面體網狀結構，跟水晶不一樣的地方在於，它沒有氧原子，而是完全由硅原子本色出演。單晶硅的純度可以達到六個九以上，也就是99.9999%以上。

【多晶硅（左）和單晶硅（右）太陽能電池板的對比。】

多晶硅和單晶硅有些微小的差異，大部分還是挺相似的，你可以將多晶硅想像成很多個單晶硅的無規則組合體。從技術角度來說，單晶硅更純，很多方面的性能更好；從商業角度來說，多晶硅成本更低，使用起來更加經濟。

20世紀60年代，人們發現只要在硅晶體中摻入極微量的第三主族元素，比如硼，或者第五主族元素，比如磷或砷，硅就會表現出很活躍的半導體性能。這讓之前一直默默無聞的硅元素一下子走上了科學技術最前沿的大舞台上，一直到現在。

【左圖：純硅晶體，每個硅原子的最外層有四個電子，相互之間共享。

中圖：加入磷系元素，會讓晶體內部有剩餘電子，這就是N型半導體。

右圖：加入硼系元素，會讓晶體內部有空穴，需要電子來填充，這就是P型半導體。】

二戰後的1946年，我們的民族正處於黎明前最後的黑暗，大洋的那頭，美國的賓夕法尼亞大學發明了世界上第一台基於圖靈思想的電子計算機：埃尼阿克（ENIAC）。從現在的角度來看埃尼阿克，簡直是不可思議，這個重達28噸的大傢伙，包含了17840支電子管，要給它專門供電，計算能力卻只是每秒5000次，現在隨便一個手掌計算器都可以完爆它。但在當時，可能誰都沒有想到，這將開啟一個多麼偉大的計算機時代。

【笨重的埃尼阿克，這只是一部分。】

1947年，美國貝爾實驗室發明了晶體管，並在1953年取代了計算機中的電子管，這就第二代計算機。第二代計算機更加小型化，能耗降低，計算能力提高到每秒10萬次以上。

1958年，美國人基爾比用半導體做出了一個新玩意兒，他這樣描述自己的發明：「在一個半導體材料的體內，所有的組成電路看似各自獨立，卻都是高度集成的！」因此他的新玩意兒被稱為：「集成電路」。

他的發明迅速被美國空軍採用，並繼而被應用到電子計算機中，他還因此獲得了2000年諾貝爾物理學獎。

【2000年諾貝爾物理學獎獲得者：基爾比，第一隻集成電路的發明者。】

基爾比發明的集成電路使用的是鍺元素，硅元素無疑比稀有的鍺更加便宜，而且它的耐高溫性能和抗輻射性能也更好。所以，僅僅半年之後，美國仙童公司的諾伊斯就發明了基於硅的集成電路，解決了基爾比集成電路的很多缺點。接下來，幾乎是一夜之間，硅元素就取代了鍺，成為了半導體行業的主人，開啟了第三代計算機時代：集成電路數字機，這一代計算機速度更快，而且成本更低。

時代發展快，就怕你跟不上。基於基爾比、諾伊斯的發明，1971年，英特爾公司的費金工程師製造出了世界上第一隻商品化的CPU微處理器：Intel 4004，它被稱為「超大規模集成電路」，第四代計算機時代到來了，它基於的就是硅元素！

【世界上第一隻CPU集成電路：Intel 4004，基於硅的哦！】

Intel 4004是一件劃時代的作品，它小到不可想像，尺寸只有3mm×4mm，片內集成了2250個晶體管，晶體管之間的距離是10微米，每秒運算6萬次，當時的成本只有不到100美元。英特爾公司的首席執行官戈登*摩爾將Intel 4004稱之為"人類歷史上最具革新性的產品之一"。

這位摩爾先生更有高論，早在1965年，他就預言道：「當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。」這被稱為「摩爾定律」。

【英特爾公司創始人之一：摩爾先生。】

已經過去了半個世紀，「摩爾定律」一直在發揮效果，2012年，晶體管間距從4004的10微米降低到了22nm，2015年，降低到了14nm。這是摩爾先生的神奇預言，更是他對計算機行業的偉大指引，每當有人跳出來，提出對硅材料的開發已經接近終結，摩爾定律即將走到盡頭。這時候總會有新技術誕生，繼續挖掘硅元素的潛力。這半個世紀計算機的發展史，體現了人類不滿足的進取精神，摩爾定律就好像一面旗幟，帶領我們走向更加神奇的未來。

【矽谷，全球信息產業人才的集中地，在信息產業最黃金的年代裡，這裡是美國青年心馳神往的聖地，也是世界各國留學生的競技場和淘金場。】

現在我們看到，由於神奇摩爾定律的指引，不僅提高了計算機的運算速度，更讓計算機的小型化成為現實，如今的手提電腦早已不稀奇，隨便一部手機的功能都已經遠超了10年前的電腦。我們在享受信息時代的恩澤時，需要想到這些電子消費品的心臟是用硅做的。

【電子消費品都有一顆硅的心臟】