2.1 猫须探测器

半导体是指一种电阻率介于金属和绝缘体之间的物质。作为“20世纪最重要的新四大发明”之一，也作为21世纪集成电路、芯片等名词的载体，这几十年里半导体的火热程度从未退却。早在19世纪结束之前，人们就已经确定了4个显著的效应作为半导体的特性：电阻率的负温度系数和光电导效应（都是材料本身的效应）、光电压和整流效应（这两个特性都是接触效应）。光电压的一个重要应用就是我们现在大量使用的光伏电池板，而整流效应的最简单应用就是二极管，我们的故事就从半导体整流效应开始。

即使在半导体研究人群里，很可能也没有多少人知道半导体研究其实早在1833年就开始了，英国物理学家迈克尔·法拉第（就是上一章我们认识的发现了电磁感应现象、发明了人类第一个电动机/发电机的法拉第）发表了关于硫化银（Ag ₂ S）电导率的观察结果，第一次观察到了电阻率的负温度系数，即随着温度的上升，硫化银的电阻越来越低，导电性越来越强，而我们常见的金属材料，它们的电阻都会随着温度升高而变大，但是硫化银这种材料却很反常。当然，那时的法拉第是解释不了这个反常现象的，要等到接近100年后，直到固体的量子理论在20世纪20年代晚期和30年代早期建立和发展起来 ^[1] 。

1874年，德国物理学家卡尔·费迪南德·布劳恩（Karl Ferdinand Braun）报道了“整流效应”，他研究了一些自然界硫化物（如硫化铅和硫化铁）晶体与不同金属接触的电学行为，发现它们的电压-电流特性明显是非线性的，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电了。也就是说，无论它两端的电压是正还是负，电流只能往一个方向流。这种单向导电性，就是半导体所特有的整流性。大约在同时，英国物理学家舒斯特（Arthur Schuster）报道了铜线与氧化亚铜接触时发现的类似结果。布劳恩在做晶体实验时把晶体的一侧接触上大面积的金属电极，把细金属丝压进样品的另一面作为另一个电极，他相信正是在“点接触”处发生了整流效应。这个性质也促成了半导体的第一个应用——利用整流效应制作的检波器。这种结构后来成为著名的猫须无线电探测器的基础，使用金属细线压在方铅矿晶体上构成猫须探测器，这便是最早的固态二极管，在无线电接收器设计中引发了革命，这无疑也帮助说服了诺贝尔奖评选委员会把一半奖金给予了布劳恩（布劳恩和马可尼一同因为无线电报的发明而获得1909年的诺贝尔物理学奖）。布劳恩另一个重要的发明是阴极射线管（Cathode-Ray Tube，CRT），为后来的示波器、电视、雷达、电子显微镜奠定了基础，这是在液晶显示技术出现之前最重要的显示部件 ^[2] 。

每个使用过猫须探测器的人都知道，这种器件让人最烦恼的是其稳定性、一致性和重复性不那么好。经常需要试上几分钟才能够得到满意的具有整流性质的接触。即使普通的震动，也可能毁掉想要的性能。但无论如何这个整流效应是真实的，吸引其他人寻找别的更可靠的结构来进行整流，同时，实际的工作迫切需要增大整流器的工作电流，这就需要更大的接触面积（相比于点接触），因此也需要新的技术。当然在介绍新技术之前，我们来看一下半导体二极管的第一次应用——猫须探测器（cat's whisker detector）。

1888年，德国科学家赫兹发现电磁“无线电”波可以在空间中传播很远的距离，1901年，马可尼成功地进行了从英国到加拿大纽芬兰岛之间的首次越洋无线电通信试验。为了把“无线电”波用于长距离通信，需要方便地产生和探测这些波，正是在这里，猫须探测器第一次起到了重要作用。布劳恩为无线电通信这个新技术做出了两个贡献，一是他开发了“调谐电路”，由一个电容和电感组成，实现了无线电波长的选择。如图2-1所示，我们平常使用收音机调台，调的就是这个电容，它也因此被叫做调谐电容。声学里有个“共振”的概念，电磁学里同样也有。一个音叉的频率是1000Hz，另一个音叉要与它共振，频率也要是1000Hz。同样，1000kHz的电磁波，要求接收天线的频率也是1000kHz。我们把电容和电感一起组成的电路叫谐振回路，不同电容和电感的组合对应不同的频率，假如我们要收听南京交通台FM102.4（MHz），通过调节电容和电感，让谐振回路的频率正好等于102.4MHz，那么我们可以说这个回路对于102.4MHz的电波调谐了。

调谐电路得到特定频率的电波，把它变成电路里振荡的电流信号，让这个电流信号直接去驱动耳机，会听到声音么？答案是不会！我们平常用的耳机里面有个小小的电磁铁，会吸引一个振动膜片。如果通过电磁铁的电流信号发生变化，在它的吸引下，振动膜片就发出频率和强弱都不同的声音来。

被音频信号调制过的无线电载波是以横轴对称的，即上下各有一条相反的音频包络线。耳机对高频载波的信号没有反应（即使有反应我们的耳朵也听不出来），只对音频包络线有反应。在某时刻，假设与之对应的上包络上A点的电压是+2V，那下面B点的电压就是-2V，刚好与A点相抵消。这幅图上任意时刻都是如此情形，即音频载波反应在耳机上的电压是零，耳机膜片不会振动，当然就不会响。可是在电路里串联一只二极管，情况就不同了。二极管有个单向导电的特性，即它只允许正方向的振荡电流通过，反方向的时候电路相当于断开。即感应电流的下半部分被削去了，只剩下载波和一条音频包络线，这样在不同时刻加在耳机电磁铁上的电压不同，耳机就能发声了。通常再加一个高频电容，它的作用是滤波，电容的特性是通高频、隔低频，用作载波的高频信号直接经滤波电容跑掉了，只剩下音频信号经过耳机发声，这样我们听到的声音会清晰一些，这就是二极管的检波作用。早期的检波器元件是直接用天然矿石做成，使用时得通过一根金属探针调整其在矿石上的压力和方位使其具有单向导电性（也即整流效应），可以用来检波，这也就是国内“矿石收音机”名称的来源。我在网上找到的高乐牌矿石收音机线路如图2-2所示，其中的二极管即采用矿石的整流效应。

讲了这么多，我们的猫须探测器在哪里呢？猫的胡子很重要，猫靠着胡子感知到周围的物体，估计和测量洞口的大小，所以，胡子是猫的探测计量仪器。猫须探测器则被用于侦测电磁波！探测器中的“猫须”是一根细细的金属线，通过一个手柄则可改变“猫须”的方向以及与半导体表面的接触点的位置、压力、接触面积等，犹如猫用胡子探来探去，寻找具有最佳整流功能的点，使接收电磁波也达到最好的效果，如图2-3所示。

在1902—1906年间，美国电话电报电气工程师皮卡德（G.W.Pickard）测试了数千种矿物样品以评估其整流特性，发现西屋电气公司的硅晶体产生的整流效果最好。1906年他为硅点接触探测器（也即二极管）申请了“用于接收电波通信的装置”（Means for receiving intelligence communicated by electric waves，US836531）的美国专利，并于当年11月20号就获得授权，如图2-4所示。皮卡德与两个合伙人成立了无线特种仪器公司，推销“猫须”晶体无线电探测器，它可能是世界上第一家制造和销售硅半导体器件的公司。

另一位美国发明家亨利·邓伍迪（Henry Harrison Chase Dunwoody）也在1906年就获得了使用碳化硅制成的点接触探测器的专利（Wireless-telegraph system，US837616），这是碳化硅器件材料的第一次应用。当然，当时人们并没有理解这个现象的内在机理，直到20世纪30年代，人们才意识到矿石检波器实际上是利用金属-半导体接触点形成的肖特基势垒具有的单向导电性进行检波的。

虽然点接触二极管使得商业化的无线电通信成为可能，但前面就讲到过，猫须探测器（点接触二极管）实在不可靠，就像我们小时候看的黑白电视，有时需要不断地调整天线角度来更好地接收信号，以把电视屏幕调整到最清晰的画面。人们希望得到一些更加可靠方便的器件，因此，很快点接触二极管就被取代了。但半导体器件的发展过程需要暂时绕个弯，走到真空管时代。 zXQMC3hi/xXpZiCQhd6YWBrLn7WezTZKWX6v2fABhO3bG9MhUx+9vbb3p/KPChNR