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单晶硅与计算机芯片 陆寅 李飞 马健 章晨曦 (北京大学化学与分子工程学院 邮编 100871) 前 言：信息技术正在迅速地改变着当今社会的面貌，计算机网络系统的发展使 世界经济正走向全球化，这一切主要是依靠半导体芯片引导的现代电子学革命 得以实现的。电子学革命离不开材料，而使计算机飞速发展的关键在于晶体管 的发明与发展。晶体管利用了单晶硅的半导体性能。从第一代的电子管计算机 到第四代的超大规模计算机，计算机的核心一直是芯片，而其基质材料是单晶 硅。本文以计算机芯片与硅的性质为切入，浅显地介绍单晶硅的制备及其化学 性质在计算机芯片中的应用原理、功能、发展前景，拙漏之处，敬请老师同学 指正。 关键字：单晶硅 半导体 晶体管 计算机芯片 一、计算机芯片概述 1. 什么是计算机芯片 芯片，准确地说就是硅片，也叫集成电路。它是微电 子技术的主要产品。所谓微电子是相对强电、弱电等 概念而言,指它处理的电子信号极其微小，它是现代信息技 术的基础。计算机芯片是一种用硅材料制成的薄片，其大 小仅有手指甲的一半。一个芯片是由几百个微电路连接在 一起的，体积很小，在芯片上布满了产生脉冲电流的微电 路。计算机芯片利用这些微电流，就能够完成控制计算机、 自动化装置制和其它各种设备所需要的操作。计算机芯片 内的电路很小，它使用的电流也很小，所以，也称芯片为 微电子器件。微型计算机中的主要芯片有微处理芯片、接口芯片、存储器芯片。 2. 计算机芯片的发展 1950~1960 年的空中竞争非常激烈。美国为了在飞船有限 的空间内做更多的事要求设备的体积小而再小，以便在很小的空 间内能装更多的电子设备，从而发展芯片。许多生产者很快利用 芯片体积小，消耗电流少的优点，进一步生产了微型计算器和微 型计算机。自从第一台电子管计算机发明后，1974 年，三个美 国科学家巴丁、肖克莱和布拉坦发明了晶体管。最早的晶体管是 用锗半导体制成的，后来才使用硅半导体晶体管。大约1953 年 晶体管才开始用于计算机。1958 年在美国得克萨斯仪器公司工 作的美国人杰克吉尔比提出将两个晶体管放在一片芯片上的设 想，从而发明了第一个集成电路。随着技术进步，集成电路规模 越来越大，功能越来越强。 自从1958 年发明芯片以来，芯片发展非常迅速，直到现在仍在继续发展。每当出现一 个新的自动装置或功能更强的计算机，多是由于研制出了新的功能更强的芯片。计算机生产 者们一直在努力制造功能更强的芯片，来提高芯片的集成度和工作速度。目前正在进行的研 究就是用一种速度更快、功耗更低的开关器件代替芯片中的晶体管，这种超级开关叫做约瑟 夫逊(Josephson)结。这是1962 年由剑桥大学科学家布赖恩-约瑟夫逊提出的，后由美国贝 尔实验室进一步发展。约瑟夫逊结的结构是在两个金属层之间架一层极薄的绝缘层，当温度 低于金属冷却点几百度时金属层就变成超导层。这种开关的速度比当今的晶体管快十倍。目 前，科学家们谈论的下一个目标是用生物学的方法来生产芯片。未来计算机是什么样的我们 不妨无限想象一下。 二、硅的概述 1．硅及其晶相 硅在元素周期表中是第IV 族主族元素，它的原子 结构最外层有4 个价电子，所以硅在它的化合物中呈 1 现4 价。半导体级硅主要有多晶体和单晶○硅。在单 晶硅中，所有原子都按一定规律整齐地排列。多晶则 是由许多小粒单晶杂乱堆积而成。单晶硅结构完全是 金刚石型。每个原子和邻近的4 个原子以共价键相结 合，组成一个正四面体，而且每个硅原子都可以看成 位于四面体的中心，每两个相邻原子之间的距离是 0.256nm。在常压下，金刚石构型的硅在低于熔点 1414 ° C 时是稳定的，所以，我们通常所用的硅都是 单晶硅。 2．为什么是硅 2.