金属与非金属的特性及过渡态分析

在元素周期表中有一条神奇的分界线，在这条分界线两边，蕴藏着深度影响人类科技发展的材料——半导体。

翻开元素周期表，我们会发现所有的元素被分为了两类——金属元素和非金属元素。金属元素集中在周期表的左下方，而非金属元素集中在右上方。也就是说，在元素周期表中，越往下和越往左，元素的金属性不断加强；而越往上和越往右，元素的非金属性不断加强。

实际上，元素的金属性就是原子失去电子的能力，而非金属性是原子得到电子的能力。在第一册《走进元素世界》第五章中我们讲过，元素周期刚开始的时候，由于元素的最外层电子数很少，所以倾向于将电子失去从而形成“八隅体”；而当元素周期接近尾声，元素的最外层电子趋近饱和，此时元素倾向于从别的元素那里夺取电子从而形成“八隅体”。故而一个周期内，靠左的部分为金属元素，而靠右的部分为非金属元素（第一周期除外）。

同时，随着周期数的增加，元素的最外层电子距离原子核也越来越远，也就是说，原子核对最外层电子的控制能力越来越弱，故而元素的金属性也就越来越强，所以同一族内下方的元素总是比上方的元素金属性更强。

如果我们把目光放在金属区和非金属区的交界处，我们就会发现，这一区域的元素是金属与非金属的过渡态，既呈现金属性，也呈现非金属性，这些元素单质（单一元素组成的物质，例如单晶硅、多晶硅、金属锗等）的导电性也介于金属与非金属之间，没有金属好，但比非金属强。所以这个过渡区的元素我们称为准金属元素，包括：硼（B）、硅（Si）、锗（Ge）、砷（As）、锑（Sb）、硒（Se）、碲（Te）、钋（Po）、砹（At）。

准金属的晶体结构也同样呈现出了金属和非金属的过渡态。例如金属锗，在常温常压条件下是一种银白色金属，但是它的晶体结构却和金刚石相同，这种锗晶体被称为金刚石锗，金刚石锗的晶体结构就是典型的非金属的晶体结构。而在高压环境中，金刚石锗会发生晶体转化，成为白锡锗，也就是和50号元素金属锡（Sn）的一种晶体结构相同，而这种结构却是典型的金属晶体结构。所以从晶体结构的角度分析，锗同样具有金属与非金属的过渡性。

准金属的导电性通常介于导体和绝缘体之间，被称为半导体材料。硅和锗是应用最广泛、最核心的半导体材料，尤其是硅，更是在商业应用上极具影响力，美国旧金山的电子工业基地更是以“硅谷”命名，足可以看出硅材料在半导体材料领域的地位。当然，半导体材料不光可以由一种元素组成，也可以是两种元素的合金（例如硅锗合金），还可以是化合物［例如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、碲化镉（CdTe）等］。

半导体不光是导电性能介于导体和绝缘体之间这么简单，一种材料的导电性能不高不低处于半导体的范围时，也就给我们提供了一个控制材料导电性能的空间，让它在我们需要的时候导电，不需要的时候不导电，甚至可以控制半导体中的电流只朝着一个方向进行流动，这种可控性才是半导体存在的最大价值。

半导体在一定的温度区间导电能力会随着温度的上升而增强，这一点与金属导体完全相反，金属导体的导电能力通常都是随着温度升高而减弱。从微观的角度分析，金属导体主要是依靠自由电子的运动而导电，当导体温度升高时，处于晶格位置的金属离子的热振动就会变得更加剧烈。电流导通时，自由电子在定向运动的过程中与晶格离子碰撞的概率会大大增加，从而阻碍了电子的移动，故而导电性能下降。而半导体内本身能够导电的自由电子非常少，当温度升高后，电子活跃程度提高，自由电子的数量也急剧增加，最终使得半导体的导电性能反而得到提升。

如果想要控制半导体内的电流只朝一个方向流动，而禁止向另一个方向流动，就需要介绍一种只有使用半导体才能制作的导电结构——PN结。

以硅晶半导体为例，硅元素位于第四主族，故而硅原子最外层有四个电子。硅晶是按照金刚石的模式形成的晶体，每个硅原子可以和另外四个硅原子以正四面体的形式形成四个化学键。如果在一块纯净的硅晶中掺杂一些其他元素，而这些元素形成的化学键不足四个或者多于四个时，硅晶的导电特性就会发生巨大的变化。(www.xing528.com)

例如在硅中掺杂磷元素（P），由于磷元素最外层有五个电子，可以形成五个化学键，因此磷元素在与硅元素形成晶体的时候就会多一个电子无法成键，这个无法成键的电子便具有流动性，从而提升了硅晶的导电性，我们把掺杂了磷元素这类杂元素的硅半导体称为N型硅半导体；反过来，如果在硅中掺杂一些硼元素（B），由于硼元素最外层仅有三个电子，只可以形成三个化学键，但是硼元素在与硅元素形成晶体的时候会被要求形成四个化学键，由于硼元素无法提供第四个电子，致使第四个化学键的位置出现了一个电子空穴，这些电子空穴便提供了电子流动的通道，从而也增强了硅晶体的导电性，我们把掺杂了硼元素这类杂元素的硅半导体称为P型硅半导体。因此我们就明白了，N型半导体是依靠自由电子导电，而P型半导体则是依靠电子空穴导电，无论是N型掺杂还是P型掺杂，都可以提升硅的导电性能。

当一块P型半导体和一块N型半导体拼接在一起时，N型半导体的自由电子就会自发地向P型半导体的电子空穴扩散，当扩散达到平衡状态时就形成了PN结。

PN结可以实现电路中电流的单向导通。这是如何做到的呢？试想如果我们在PN结的外部加一个正向电场，这个正向电场可以促进PN结内部的电子扩散，电流就会顺利通过PN结。但是，如果电场更换方向变为反向电场，此反向电场就会阻止PN结内部电子的扩散，当反向电场不足以抗衡内部电子扩散时，PN结内部便没有电流产生，也就是阻止了反向电流的形成。故而，PN结可以保证电路中只存在促进电子扩散作用的电流，而不存在反向电流，这样就实现了电流的单向导通。当然了，如果反向施加的电场足够大，完全抗衡并远远超过了电子扩散的作用，那么也是可以形成反向电流的，但此时你的PN结已经被完全击穿损毁，再也无法恢复单向导通的性能了。

芯片到底是什么？芯片就是集成电路，在一个指尖大小的芯片中就可以放置几十亿个晶体管器件，并且在晶体管上方覆盖着像摩天大楼一样多层并且极其密集的导线，这样的微观三维电子器件组成的超级城市就是芯片。而其中的晶体管器件就是利用PN结单向导电原理发明的二极管与三极管。

芯片的制造有两个关键技术，首先是制造高纯度的半导体晶圆衬底。PN结是在半导体晶圆衬底上通过人工掺杂杂质元素而形成的，这也就意味着，在掺杂杂质元素之前，半导体晶圆要绝对纯净。例如半导体锗晶圆，纯度要至少达到小数点后5—6个9，也就是纯度要达到99.99999%—99.999999%，而硅晶圆的纯度更是要达到小数点后11个9，利用这样纯净的半导体晶圆制作的芯片才具有更优异的电性能。

第二个关键技术就是在晶圆上添加电子元器件，要完成这个步骤，就需要使用很多人都听说过的一种设备——光刻机。光刻机的工作原理实际上跟照相很接近，当集成电路设计好后，我们就将电路图制作成一个胶片，然后用紫外线透过胶片来照射涂满光刻胶的半导体晶圆，被照射的光刻胶发生化学反应，从而将胶片上的电路信息留存下来，最后在留存下来的位置通过离子掺杂就在晶圆上形成了无数个晶体管。我们通常所说的“7nm芯片”“5nm芯片”，就是指晶圆中晶体管的大小。晶体管越小，意味着同样大小的芯片中含有的晶体管数量越多，那么这块芯片的功能也就越强大。目前人类已经可以使用极紫外光刻技术（光波长：10—14nm）量产5nm芯片。而我国在此领域技术还相对落后，目前只能量产28nm芯片，与国外差距巨大，所以高端光刻机能否自主生产已经成为我国能否实现高端芯片制造的关键。

在第二章中我们已经说过，作为真正意义上的“冷光源”，LED灯就是利用电子在PN结中的流动实现了电到光的直接转化（电生光）。如果将这个过程反过来，我们同样可以利用PN结实现光到电的直接转化（光生电）。

前面讲到，PN结内部的自由电子向电子空穴的移动达到了平衡状态。但是，当半导体受到光照的时候，半导体中化学键内部的部分电子就会被光激发出来，变为自由电子，而化学键由于失去了电子也会成为电子空穴，新生成的自由电子和电子空穴破坏了原来电子与空穴的平衡，使得电子发生了定向移动，从而产生恢复原有平衡的趋势，这种趋势便形成了光伏电压，如果在P半导体和N半导体之间用导线相连形成回路，便会产生电流，这就是利用半导体进行光伏发电的工作原理，而能够发电的半导体器件就是太阳能电池。

在工业生产中，单晶硅太阳能电池技术最为成熟，光电转化率也最高，可以达到20%左右。如果将大量的单晶硅太阳能电池板组合摆放在日照充足的地域，我们就建成了太阳能光伏电站。目前，中国累计太阳能光伏电站总装机容量居世界第一。作为中国人，我们应该为之骄傲！