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1.1 法拉第初识半导体 [1]

地质学家们说,硅是我们地壳成分中数量仅次于氧的元素,坚硬的岩石、漫天遍地的黄沙、覆盖地球数百米深的土壤层,其中都含有大量的硅。

我们现在知道了,硅是一种半导体。千百年来,硅以及其他的半导体公主们,像一个个沉睡的美人,如童话故事《睡美人》中的奥罗拉公主那样,静静地躺在黄土和岩石中,等待菲利普王子来唤醒她。

英国物理学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday,1791—1867)第一个揭开了半导体材料的美丽面纱。法拉第不同于那个年代大多数玩科学的贵族学者,他生于一个贫苦的铁匠家庭,只读过2年小学,后来却成为一个著名的科学家。法拉第奋发图强的精神,为我们树立了一个自学成才的杰出典范。据说在爱因斯坦书房的墙壁上,挂了三幅科学家的肖像:牛顿、麦克斯韦和法拉第。

法拉第被生活所迫,13岁就当了报童,后来在一个订书匠的铺子里打工,因此也使他有机会读很多的书。后来,法拉第于茫茫书海中探索出他的科学之路,将人生的小舟驶向那一片他毕生钟爱的水域——电和化学。

法拉第的老师,是汉弗里·戴维(H.Davy,1778—1829),但这两个人的关系却包含了许多一言难尽的故事。法拉第于戴维,既是学生和助手,又是雇员和仆人;戴维于法拉第,既是发现千里马的伯乐,却又因嫉妒,后来当了几回陷害压制千里马不让其跑远的小人!

戴维也是一位伟大的科学家,是在元素周期表中发现了最多种元素的人。当年,是戴维将法拉第从一个20岁的书籍装订工变成了他的皇家学会实验室助手。尽管这个工作的薪金并不高于订书工,但却为法拉第的科学研究开辟了一条阳关大道。紧接着,戴维带着这个助手加仆人遍游欧洲。一路上,戴维那个自认为血统高贵的夫人对法拉第颐指气使,大伤法拉第的自尊心,使他有那种被中国人叫做“忍受胯下之辱”的感觉。

再后来,法拉第做出了许多重大发现。特别是有一个戴维失败了的实验,却被法拉第成功地完成了!那是通电导线在磁场中旋转的实验,实际上也就是说,法拉第造出了世界上第一台电动机的雏形!法拉第的成功令戴维忐忑不安,这位大科学家的虚荣心受到了严重挫伤。戴维不能接受洗瓶子的小实验员超过自己的事实,嫉妒之蛇缠住了他的心灵,使他做出了对法拉第的诬陷:他指责法拉第剽窃另一个物理学家沃拉斯顿的成果。之后,即使法拉第在科学界的声望已经大大超过了戴维,但在戴维的打压下,只是“墙内开花墙外香”的状况。法拉第在皇家学院,仍然是一个拿着低薪的小小实验员!大多数科学家,包括沃拉斯顿在内,都为法拉第鸣不平,联名推荐法拉第成为皇家学院会员。在皇家学院会员选举为法拉第投票的时候,戴维再一次地表现小人之举,投了唯一的一张反对票。

法拉第拥有高尚的人格,他一直把戴维当作恩师,即使到了耄耋之年,还经常指着戴维的肖像说:“这是一个伟大的人啊!”

戴维于1829年,50岁时就英年早逝。也许他后来也良心发现,在他逝世前几年,疾病缠身之时,他提名推荐法拉第担任自己担任过的职务——皇家学院实验室主任。另外,据说在戴维临终时,别人问及什么是他一生中最重要的发现时,他没有列举那些周期表里被他发现的元素,而是自豪地说:“我最伟大的发现是发现了法拉第!”

而法拉第平生最伟大的发现又是什么呢?应该是他1831年发现的电磁感应现象。因为这是发电机的基础,从此开辟了电气时代的新纪元。

现代的人无法想象,如果没有电,世界将会是什么样子?也不知道在另一个星球上,如果存在另一种高等生物构建的文明社会,它们是不是也是使用“电”这个玩意儿?

不管是上帝赋予的必然,还是某种偶然,从认识“摩擦生电”,到“电”真正登上人类的生产和生活舞台,一连串科学家的努力功不可没。其中,法拉第的贡献可以说最为显著。

戴维去世后,这匹千里马摆脱了绳索的羁绊,自由自在地驰骋于天地之间。法拉第从1831年开始从事纯粹的科学研究。他夜以继日地工作,做了无数的实验,从各个角度探讨电、磁、物质之间的关系,写下大量的报告,汇集在《电学实验研究》那部巨著中。因为他杰出的贡献,法拉第被后人誉为最伟大的实验科学家。

科学研究不仅需要时间和精力的投入,还需要勇气,有些科学家甚至付出生命的代价。富兰克林冒着危险,在下雨天放风筝,将雷电从风筝线上引下来,以证明打雷闪电是大气中的电产生的。无独有偶,法拉第则制造过一次人工雷电。法拉第研究静电屏蔽时,做了一个后人称为“法拉第笼子”的东西,也就是一个大立方体状的金属架子,上面铺了一层铜网。铜网加上高压电后,噼噼啪啪、火花四起,令人心惊肉跳,法拉第却微笑着站在里面,他以此来证明金属中的电荷聚集在表面上,向大家演示静电屏蔽的作用。

因为法拉第未受过正规教育,数学基础欠缺,所以他在发展电磁理论方面受到了限制,将此殊荣留给了麦克斯韦。不过,也可能正因为数学不够好,法拉第对物理概念理解得特别透彻、精辟,极富创造力,他用场的概念挑战牛顿的绝对真空和超距作用,提出“实物粒子,就是力场的中心奇点”的观念,并认为各种力,如电、磁、光、引力等,都应该可以在场的相互作用、相互转化中统一起来。

法拉第所生活的年代,早已有了导电金属与不导电绝缘体的划分,却还不知道半导体为何物。法拉第在研究金属导电性的时候,偶然观察到了硫化银导电的一个异常现象。

在1833年《电学实验研究》( On Conducting Power Generally )中,法拉第写道:“我最近遇到一个非同寻常的现象,这种现象与温度对金属组织的影响是截然相反的。对硫化银来说,电导率随温度上升而上升,关灯后,电导率随温度下降而下降。”

上文法拉第的记录中用的是“电导率”,换成电阻来叙述,就是说硫化银的电阻随着温度的上升而降低。而人们知道,大多数金属的电阻是随着温度的升高而升高的。因为温度升高,会使得金属晶格的振动加剧而阻碍自由电子的移动,从而导致电阻的增大。但硫化银的表现却相反。如此看来,硫化银应该代表了某些另一类物质:它们具有一定的导电性(热敏性),但又不同于金属,这就是我们现在所熟知的半导体。

在法拉第对电磁理论做出的诸多贡献中,这个被他首次发现的物质特性,只是一个很不起眼的小东西。法拉第对此现象感到奇怪,却并未特别在意。半导体睡美人的面纱,被法拉第轻轻地抖动了一下,揭起一角,又轻轻地盖上了。 1XV/wjudUpUqBLj6kwaSleAF0UaycI0esz/6Top7/kAGEx74YR664JC79heqYWOW

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