第1节

改变世界的杂质

本书一直在强调，控制缺陷可能带来机遇，而半导体似乎是我们这一代人最引人注目的例子。到20世纪60年代，半导体已经从物理学中一个有趣的学术话题，发展成可以在商业上制造出来的实体。作为一个优势产业，半导体的发展几乎有力地改变了我们生活的方方面面。如果没有半导体，我们就没有计算机、智能手机、卫星、互联网，以及从玩具到汽车和飞机等一系列设备。这样的例子不胜枚举。这一切之所以成为可能，是因为我们能够精确定位进入锗和硅等元素表层的杂质，将其含量控制在百万分之一。该方法已延伸至各种用于电子和光学用途的半导体材料，如发光二极管和激光器等。

都是好消息吗？

这些神奇的技术不仅改善了人类生活的各个方面，现在也完全控制了这些方面。没有这些技术，我们现在所知道的文明就不可能存在。我们对这些电子设备充满热情，但对它们给生活其他重要方面所造成的破坏却视而不见。我将在后面的章节中讨论其中的部分问题，但在这里，我想简要提供几个负面例子。首先，对电子产品的重度依赖严重影响了我们观察周围世界以及与真人交流的能力。这常常会破坏亲密的社交关系、同理心和真实世界里的人际互动。这些定义和改变人类生活的电子产品包括电子音乐、广播和激光唱片（CD）。即使是音乐厅也不能幸免，因为据说现代观众希望音乐听起来更接近激光唱片的音质，而不是现场演出。声学工程师正在重新设计电子设备，让音乐厅内现场演奏的古典管弦乐失真，使其接近广播和录音那样的低音质。作为一名音乐爱好者，我觉得这种做法简直匪夷所思。

第二个特点是，能够即时访问包含了海量信息的数据库，会削弱人们的记忆能力，导致人们在发挥创造性想象力时变得迟钝。此外，人们难以区分事实与虚假消息或偏见信息，从而导致了越来越多的问题。我在《技术的阴暗面》中探讨了最初对新技术的渴望如何导致我们忽视了技术的负面后果。在书中，我对人类的这种“降智化”进行了一定程度的总结。它彻底改变了我自己的观点。举一个简单的例子，我们在卫星导航、云存储、光纤信号传输的各个方面以及其他远程通信等各种项目上完全依赖电子技术。关键问题是，我们可能因一个自然事件而失去这一切。早在1859年，卡林顿（Carrington） 就描述了一场袭击地球的太阳风暴，它不仅给高纬度地区带来了美丽的极光，连位于南部的古巴都能看到极光。大气的电离产生了严重的电磁干扰，在当时使用的最基本的电报系统中出现感应电压。后来发生的一些小规模太阳活动还导致发电站起火、卫星连接中断、飞机导航失灵。幸运的是，自从进入电子时代以来，还没有一次太阳活动达到1859年的水平。如果现在出现同等程度或者更加猛烈的太阳活动，我们可能会立即并永远失去卫星、地面通信，且电网遭到破坏（电网电缆提供超长的天线系统，可以接收来自极光的电磁信号，足以摧毁电网的主要部件）。太阳表面有无数大规模的强烈太阳活动，但幸运的是，其大部分活动都没有影响到地球。当前持续的极光信号只是众多方向随机的小型太阳风暴之和。1859年的太阳活动（或更强烈的活动）必然会重演。观察太阳耀斑发生的频率及其角展度，我们可以预测出，通常每100年左右，太阳会发出一次超级耀斑。我们不可能预测其发生的时间，但它发生的概率是100%。

直到20世纪末，主要的电气灾难是大规模的无线电干扰以及局部的发电站火灾。事实上，这些都发生了。电力系统失灵会对北半球地区产生尤为重要的影响，然而，通信失灵可能无法修复。即使是全球定位系统（GPS）失灵这个更简单的问题也未得到严肃的解决。GPS很容易受到蓄意干扰，据报道这样的事件已有约10000起。2004年，美国总统布什要求设计一个备用系统，并在军事上加强防御，但截至2019年，这笔预算始终没有启用。没有人考虑到民事方面的损失。这个提案的目的是防止恐怖活动干扰信号，而不是避免卫星和地面站失联。

对电子产品的依赖意味着我们可能不再保存书面记录，而是使用计算机或所谓的云存储。对许多应用程序来说，这样的存储方式很有用。但是，倘若你想找一个历史上的案例来证明将所有信息保存在一个地方的危险性，那么典型的例子就是亚历山大图书馆。2000年前，在地中海文明的鼎盛时期，人们在亚历山大城建造了一座巨大的图书馆和仓库，将所有的文献和伟大著作集中保存于此，便于交流。它吸引了来自各地的学者，直到一场大火摧毁了一切。有趣的是，关于图书馆被焚毁的时间众说纷纭，有一种说法是它在公元前48年被烧毁，还有一种说法是它在公元641年被烧毁。我认为，亚历山大图书馆可能经历了两场不同的火灾。

电子技术的爆炸性冲击

提出技术进步本身可能存在缺陷的警告之后，我们再回到技术发展的积极方面，尽管其中不可避免地涉及许多获得资助以开发战争武器与核弹的项目。几千年来，冶金和玻璃科学逐渐成熟，但电子技术彻底改变了世界。20世纪上半叶，热离子电子阀（或电子管）的发展为电子电路系统奠定了基础。它们只是被抽了真空的玻璃瓶，却能使电子在两个部分之间传送。在最早的热离子阀中，加热的细丝发射电子，这些电子被集电极上的正电压吸引。大约在1904年，英国发明家约翰·安布罗斯·弗莱明（John Ambrose Fleming）首次演示了这一装置。他的装置只有两部分，一部分是发射电子的热阴极（-），另一部分是吸引电子的阳极（+）。这两个部分组成的装置被称为二极管。这听起来是一个非常简单的想法，但它可以控制电流，使其只向一个方向流动。

1907年前后，美国发明家李·德·福雷斯特（Lee de Forest）对二极管进行了简单的改造，他在靠近细丝的电子路径上添加了一个栅极，从而制成三极管。由于栅极更靠近阴极，所以栅极上微小的电压变化，就可以控制电子从阴极流向阳极。微小的电压变化也会影响从阳极流出的电流。电流通过电阻器，产生明显的电压变化，因此三极管的几何结构意味着它可以充当放大器。图10.1是简单的真空三极管。

图10.1 简单的真空三极管

注：加热器（阴极）发射电子，金属板（阳极）收集电子。两极之间存在电压差，阴极是负极，排斥电子，而阳极是正极，吸引电子。这是一项重要特征，因为它是一个阀门，使电子只能沿一个方向流动（需要真空来防止电子被空气分散）。三极管阀包含一个靠近阴极的栅极，因此只需要微弱的电压就可以改变电子发射。施加到该栅极的信号电压发生变化，从而控制电流的流动，栅极电压的微小变化会对电流产生极大的影响。这意味着一个微弱的电压信号，如无线电信号，就可以在电流中产生极大的变化，因此三极管是一个信号放大器。

电子设备的尺寸

这些原理很容易理解，而且非常实用。三极管可以接收一个微弱的话筒信号，将其放大后驱动扬声器。随着后续的发展，三极管的控制元件增加，且性能得以提升，但从根本上来说，这样的设备开启并推动了此后60年的电子学发展。电子管的缺点是，它们通过细丝产生大量热量，消耗大量电力，且体积庞大，工作寿命相对有限。这对收音机、放大器或留声机来说并不是严重的问题，但它对复杂信号的使用造成了限制。在第一台可编程计算机“埃尼阿克”（ENIAC）中，电子管寿命极限的影响非常显著，该计算机有17500根真空管，每天至少会发生一次故障。后来人们注意到，与灯泡一样，大多数故障都出现在机器开启或关闭的时候，因此让机器连续运行可在一定程度上避免故障，但仍然不够可靠。

对离不开手机的现代人来说，我们需要了解一下这类电子设备的尺寸和质量问题。在第二次世界大战期间，英国情报人员空降法国，试图用“便携式”无线电发射器与英国通信。1942年，最先进的是一台无线电设备的覆盖范围接近500英里，其质量只有30磅，恰好可以装进行李箱，当然，还需要一个6伏特的汽车电池为其供电。但它并不像手机那样便利，因为它还需要设置一根好几米长的天线，然后仔细调整发射器频率。别忘了，在当时的情况下，无线电设备其实相当于一台莫尔斯电码发射器，尚不能直接语音通信。为了改变频率，避免在长时间传输过程中被敌方检测到，人们还需对设备上的某些组件进行调整。显然，在早期，要检测到一位使用发射系统的特工并不难。因此这些特工的平均职业寿命只有几个星期，然后就会被敌方发现。1943年，人们开发出一个20磅重的“微型”设备。尽管这类仪器越来越先进，但即使到了20世纪50年代，一台秘密无线电发射器的尺寸仍有一个大公文包那么大，质量大约20磅。它不再需要电气干线，有一个语音频道和一个莫尔斯电码发射器。一个主要的进步是将覆盖范围提高至2000英里。

便携式无线电发射器的例子足以解释人们为什么亟须缩小设备尺寸和完善电力需求，同时提高其性能和可靠性。这个问题通过半导体二极管与三极管元件得以解决。从概念上来说，半导体二极管或简单晶体管的功能也是让电流在一个方向上流动，或者向中央施加电压，从而通过来自信号的微弱偏置电压控制大电流的流动。一个相当简单的观点是，当我们了解了半导体器件中的这些初始过程后，就掌握了理解现代计算机芯片的原理与操作的关键知识。

令人惊讶的是，现代电子技术的各个方面完全依赖于对半导体材料缺陷的理解和控制。早期的例子是围绕锗半导体性质设计的单一化学元素系统。不幸的是，以锗为基础的装置很容易过热和烧毁，因此人们转而使用硅元素。随着需求和应用范围的扩大，又出现了数十种化合物半导体，从而拓展了这类装置的范围。许多半导体由两种或多种元素构成［例如，镓与砷（砷化镓），或镓与铝、砷与磷等］。另外，与真空阀中的单个单元不同，现在数百万个单元被封装在单个电子芯片的表面层中。

电传导

对于绝缘材料，我们发现原子更倾向于通过电子转移结合在一起，从而将最外层的电子壳层填满（即形成钠离子Na+和氯离子Cl-）。相比之下，其他材料如铜或铝具有金属导电性。因为它们的最外层电子层中只有几个电子，此外这个电子层中有许多未填充电子的能级。如果与其他相同的原子相互作用，每个价电子就不可能拥有相同的电子能量（这个基本事实被称为泡利不相容原理）。因此，各能级之间的差距非常小。在一个晶体中，有数十亿个相互作用的金属原子，从而出现数十亿个极为相近的能级，它们会模糊成一个能带，如图10.2所示。对于这样的金属，最外层的能级比电子多，所以同样的情况也会继续存在于晶体的能带中。这有利于传导，因为如果电子被激发，就会出现空的能级，电子便可以在金属中移动。传导既需要电子也需要能够让电子移动的空的能级。

图10.2 原子和晶体的能级

注：（a）围绕原子运行的电子具有能级阶梯，因此任意两个电子的能量都不相同。当两个原子结合在一起时，外层电子（价电子）相互作用，因此外层电子能级分裂成两个十分接近的新能级。如果是三个原子结合，则分裂成三个能级，以此类推，因此在晶体中有数百万个彼此靠近的能级，它们会连成一条能带。在这个绝缘体示意图中，价带被填满，下一组能级是空的。（b）如果价带被填满，而下一组更高的能级是空的，那么电子就不能穿过晶体。如果带隙足够小，电子可以利用热能向空的上一个能级跃迁，但对石英或玻璃等绝缘体来说，带隙很大，电子不可能跃迁。在低温下，硅也会成为绝缘体。为了控制电学性质并制造半导体，可以添加一些杂质，这些杂质有一个被填满的能级，位于上能带附近的带隙中。这样一来，带隙缩小，电子可以利用热能跃迁，材料因此具备了一定的导电性。

教科书中会用高速公路的交通流进行类比。拥挤的高速公路上有很多汽车，但没有可移动的空间（交通堵塞）。这就像一个已填满电子的价带，因此它是一个不能进行传导的绝缘体。下一个价带没有汽车，意味着这只是一条空旷的高速公路，没有车流（即绝缘体的情况）。相比之下，金属（比如钠）充分体现了极高的流动速率，因为它既有高密度的电子，也有高密度未填充的能级。高速公路上只有几处空地，或者车辆较少，都会产生微弱的电流流动，这就是半导体的情况。

半导体传导

除了离子键或金属键之外，还有第三种选择，称为共价键。这种情况发生在碳、硅或锗等材料上。这些原子的最外层有四个电子和四个空能级。转移四个电子以生成离子是不现实的，因此折中方案是它们与相邻原子共享电子。电子配对形成化学键，这意味着四价元素的最外电子层被填满。这种化学键叫作共价键。由此产生的最终结果是，最外电子层看起来好像已被完全填满，并且在这个能带内不能导电。

但这并不意味着共价材料是绝缘体，因为它不仅有含电子的能带，还有更高的空能带。如果我们能将电子从已被填满的能带移动到空能带，就会发生导电。经过如此处理的材料导电效率不高，因此最终形成一个导电不良的导体，称为半导体。

在纯净且完美的晶体中，电子可能会利用热能从被填满的价带移动到更高但是空的导带。这种情况能否发生，取决于带隙和温度。如表10.1所示，如果带隙很宽，碳原子会形成金刚石，硅原子的带隙较小，锗原子的带隙更小，表10.1中所列材料的电导率跨度达到1020。纯金刚石是一种绝缘体，室温下的硅是一种不良导体，如果加热锗，它可能会变成一种不良导体。这是早期晶体管的一个弱点，其中的锗功率晶体管会变热，只因受热就开始导电，然后进一步被加热并烧坏。硅在普通电子器件中没有这个问题，因此成为室温下设备的首选半导体。

表10.1 碳、硅、锗、铜的带隙和电导率

从绝缘体（碳）到半导体（硅和锗），再到金属（铜），电导率的变化幅度很大。电导率与每秒跃迁到空导带的电子数成正比。电子每秒的跃迁速率（dn/dt）取决于可跃迁的电子数量（n）、尝试跃迁的频率（f），以及它们向上跃迁的成功概率（P）。因此在数学上，电子跃迁的整体成功率为dn/dt=nfP。其中n是较低能级中的电子数，f是晶格中原子固有的振动频率。

我们可以对成功概率进行推测。关键因素是所需能量与可用能量的比率。在整个化学、物理学和生物学中，一般规则是，如果施加少许能量，如热能E，而电子需要一个跃迁或反应的能量E，那么发生活动的可能性与两者的比率成对数下降［即成功概率P=exp（-E/E）］。例如，如果比率为2比1，则概率为exp（-2），即13.5%，如果是4比1，概率降至1.8%，如果是8比1，概率降至0.034%。这同样适用于化学反应的速度变化，或温度变化下的植物生长。固体中电子的热能取决于热力学温度，单位为开尔文（例如27摄氏度为27+273.15=300.15开尔文）。因此热能E为kT（其中常数k称为玻尔兹曼常数）。对电子来说，大约在E/E小于25时，电子跃迁才有发生的可能性。

热能反应反应热能热能反应热能

向硅中添加掺杂剂可以在带隙内提供包含电子的能态，电子利用热能跃迁至空的能带，并产生导电性。乍一看，热能似乎没有价值，因为室温下的热振动能大约只有0.027电子伏特。能量单位是电子伏特，如表10.1所示，硅的带隙约为1.1电子伏特，因此如果导带内杂质含量不超过10%，势垒仍为0.11电子伏特。如果我们凭借自己的体力和肌肉力量跳到一个特定的高度，那么这个高度就是我们的极限，即使我们是在一群人中，也不会超越该极限。对于硅中的杂质电子，我们可以做这样的类比，它试图跳到1.1米，这样的高度是不可能达到的，因为我们实际上只能跳27厘米。

然而，对电子来说，几个随机振动能量包可能会同时到达，而且电子偶尔能获得必要的能量。这是一个极不可能发生的事件，但基本上，即使是极不可能的事件，经过多次尝试也有可能成功。当我们意识到振动能量包每秒到达1013次以后，就可以看到概率的变化。此外起始电子有数十亿个（经过如此大量的尝试，必然会有一次中奖）。我们可以用橄榄球比赛中的争边球作类比，这是一个队友互助的例子，跳起争球的队员得到其他队员的帮助，所以他能跳得更高，在那个高度停留的时间也比他靠自己所能维持的时间更长。

我们可能会认为，自己无法通过很多人输入能量，但事实上，有一些方法可以增加能量输入。例如，人们穿过泰晤士河上新开通的千禧桥（Millennium Bridge），每走一步都会向桥梁输入少量的能量。当越来越多的人步调一致，桥身开始摆动。更糟糕的是，当大桥开始摇晃时，人们改变了行走方式，与大桥的晃动保持同步。幸运的是，这个问题没有塔科马海峡大桥（Tacoma Narrows Bridge）那么严重，当时，风吹动桥身摇摆，产生了共振，导致这个处于悬索桥设计前沿的结构发生了灾难性的坍塌，震惊世人。这两个有关桥梁的例子表明，所有微弱的能量结合在一起，将产生惊人的结果。晶格振动能也是如此，它能够实现关键的高能电子能级变化。