第2节

通过缺陷控制半导体中的电子流动

半导体值得考虑的理想杂质是磷和硼。它们在元素周期表中接近硅，原子大小相似，但磷原子有五个价电子，因此很容易进入硅的导带。而硼原子只有三个价电子，因此它可以充当电子陷阱，使掺杂区域看起来像正极。半导体相当于一个二极管邻近区域掺杂了磷离子和硼离子，因此如果我们施加一个电场，电子就只能朝一个方向流动。不同的区域以符号p或n来加以标记，其中n（负极）表示电子过剩，p（正极）表示电子缺失。对应到三极管（即晶体管），我们只需要一个n-p-n结构。

杂质掺杂剂不仅可以用于生产这些非常简单的半导体器件，还可以生产所有已经开发的复杂电路装置。没有复杂的基础科学，只有大量的制造技术。我要传达的信息是，半导体中所有导电与处理完全由两个因素综合控制，即局部改变杂质的浓度和类型，以及有控制的电压变化，后者为电子的移动和空穴提供能量。这些工具相当于书写所用的字母、笔和纸。晶体管是文字，现代芯片是书籍，计算机是图书馆。

对于p掺杂区中的电子运动，我们通常用正“空穴”的移动而不是电子的移动进行描述。这很合理，因为每种杂质周围有数千个硅离子。我们可以从电子运动的角度来思考，重新排列空置空间及其运动，例如从左到右移动。或者，我们可以关注更简单的空置空间的移动，出于实际目的，空置空间朝着相反的方向从右向左移动。我们更喜欢这种描述，其中的“空间”就是所谓的正空穴。两种类型的电荷转移方式与在高速公路上行驶的汽车相似。在一条几乎空无一人的高速公路上，汽车（电子）可以轻松快速地行驶，它是运动中的物体。相比之下，在交通拥堵的情况下，车辆几乎静止，每辆车只有在前一辆车向前移动以腾出空间后才能前进。从远处看，人们几乎看不到一辆汽车的移动，只能看到空间在向后移动（即缓慢移动的带正电的空穴）。

与空穴相比，电子在几乎为空的导带中更容易运动（许多电子必须重新排列，从而为空穴运动腾出空间），因此电荷在两个能带中的流动性不同。这一点已经过实验验证，因此我们用一个小模型就可以充分展示。实际上，半导体利用了这两种过程。到这里已不再是物理学的领域，但从技术的角度来看，问题才刚刚开始。我们必须在器件的每个区域中精确地界定掺杂剂的浓度。没有用的杂质以及硅晶格的缺陷可能影响可用的电子数量，或者损害电子的自由移动，因此必须清除这些杂质。目前的控制水平旨在将杂质浓度降至十亿分之一。从技术上讲，这是一项惊人的成就。但是，即使为消除不必要的缺陷付出了巨大的努力，我们的观点也不应该改变，即半导体物理完全依靠对有价值的缺陷的控制。

电子学的发展

——摩尔定律

在过去70年里，电子学与相关技术实现了前所未有的惊人发展。衡量标准之一是一个半导体芯片上能够容纳的晶体管数量，其增长规律通常被称为“摩尔定律”（Moore’s Law）。摩尔指出，芯片上能够容纳的晶体管数量每两年便会翻一番。随着芯片设计的改进，可以达到每18个月翻一番。这不能算一条“定律”，而是一个呈对数增长的大致趋势。尽管如此，半导体行业还是将其作为发展速度的一个目标里程碑。从1947年诞生于贝尔实验室开始，晶体管和半导体芯片的发展趋势如图10.3所示。

图10.3 每个芯片所容纳的晶体管数量随着时间的推移而增加

注：自1947年人们发明晶体管以来，晶体管数量随着时间的推移呈对数增长，现代芯片所能容纳的元件数量已超过10亿个。如图所示，芯片所容纳的晶体管数量大约每经过18个月到24个月便会增加一倍。

许多技术的发展都会呈现这样的对数模式，但我认为这种模式并不令人吃惊。公司之间存在激烈的市场竞争，新想法需要经过逐步测试和推广，因此从现实的角度来说，我们可以预测，性能更好的产品会年复一年地出现。如果一家公司做出重大创新举措，同时决定摆脱这种模式，那么在看到公众喜欢上这个新产品之前，该公司可能就已倒闭。因此，逐步改进才是正常模式。尽管如此，我发现许多产品的趋势非常鲜明。我们是自愿做出改变的吗？如果不是，又是谁或什么东西在控制着产品的变化？

对早期的电子设备而言，我们可以在更长的历史时期内观察到类似的对数增长模式。雷·库兹韦尔（Ray Kurzweil）展示了20世纪中类似的对数发展速度，从开关和机电继电器设备的出现到真空管、简单晶体管和早期的计算机芯片，这些装置都被用于制造计算机和开关装置。这种模式已经持续了100多年，其发展模式呈对数增长，如图10.4所示，从机械设备发展到电子设备的过程中，增长速度也在持续提高。库兹韦尔采取了另一种更加商业化的方法，将成本换算为每一美元所能处理的活动数量。这是一项重要功能，如果不能降低单位成本，处理速度提高100万倍也不会有销量。

图10.4 20世纪内运算成本的变化

注：图中所涉及的技术从纸卡控制到电气开关装置、机械继电器、真空阀和半导体器件等。其发展趋势呈对数增长，但随着半导体的出现，斜率明显增加。

人们已经注意到许多类似的趋势。亨迪（Hendy）所绘制的图10.5a描述了在数码相机上，每一美元所能实现的像素分辨率。同样令人关注的是硬盘容量的增加（图10.5b）。公司利用这种进步来打广告，但发展并不总是可持续的，广告也要不断更改，以掩盖其局限性。对于相机使用的电荷耦合器件（CCD）芯片，现代营销关注的是像素的大小，而不是每个芯片上不断增加的器件数量。对应到计算机中，则是处理器的数量，因为从处理连接和布线电容上来看，它们具有局限性。总的来说，这意味着摩尔模型已经达到了上限。

图10.5 相机的CCD芯片和硬盘存储空间的发展

注：（a）展示了CCD芯片上每一美元所能实现的像素分辨率随时间的变化，（b）总结了硬盘在1980-2010年的发展中，容量增长了百万倍。CCD芯片的像素与硬盘容量都随时间呈对数增长，但所使用的技术发生了相当大的变化。

能否预测并保持增长率？

发展速度是一种趋势，而不是规律，因此难以准确预测。元件的大小通常会造成一定的物理限制。在硅片中，如果电流产生的热量过高，就无法进一步减少电互连。新型芯片和电子产品所营销的诸多“进步”都微不足道，它们只是一种广告工具，以吸引人们用新设备替换现有设备。这在商业上至关重要，制造商必须为一件产品找到过时的理由，而消费者不必这么做。一个典型的例子是智能手机的营销，人们仍然有购买最新版本的热情，通常是将其作为时尚配饰。就性能而言，用户很少会用到其系统的内在功能，因此系统的更新与否也无关紧要。

鲜为人知的是，进步往往需要全新技术解决方案。新的方案与早期工艺完全不兼容。图10.6展示了光通信速率的演变，通过技术的变革，信号传输速度如何呈现稳定的对数增长。图10.7则体现了光纤类型和传输波长的改进过程，并且人们必须在不干扰用户的情况下用全新的处理技术无缝替代。

▲图10.6 光通信速率的演变

注：这幅图展示了200多年来通信速率的变化，从日光反射信号器和莫尔斯电码等技术到现代光纤。其发展模式符合对数曲线图。最值得注意的是，通信速率增长了将近1000000亿倍。

图10.7 光纤通信

注：信号容量乘以单位数据在单位时间内的传送距离，后者只有通过全新的技术（用不同的符号加以表示）才能提高。细节并不重要，但在几十年的时间里，其提升幅度将近10亿倍。

能否预测出哪些产品会有极高的需求和广阔的市场，可以决定一个行业的成败，但要做到准确预测极为困难，尤其是对创新产品来说。即使是走在前沿的技术专家和富有洞察力的其他人，也常常会对未来的技术市场做出误判。我在前文曾提及人们忽视光纤而重视微波系统的例子，在此我还要再引用其他几个案例，以证明这种误判是多么常见。

……通过导线传输语音没有实际价值（1865年）；总有一天，美国的每座大城市都会有一部电话［1880年，贝尔（AG Bell）］；全世界对计算机的总需求量可能只有5台［1943年，国际商业机器公司（IBM）董事长］；个人家里不需要电脑（1977年）……

同样，汽车的使用最初也未受到重视，人们认为它永远无法取代马车。我怀疑，现代的预测，即通过核聚变反应堆实现低成本高效率的发电，也同样是错误的。我们已经在这方面取得了科学上的进步，目标也十分明确，但半个多世纪以来，我们对一个系统的预测至少涉及它未来25年的影响，而如今它的规模和成本已经超出了预期。要想在经济上取得成功，需要一种全新的方法。

预测难度更大的是以量子位（量子比特）为单位的计算机的前景。实验室级别的设备显示，它们在计算中具有真正的潜力，但在现阶段，要使其复杂性和可靠性达到一般用途的水平，还需要十年的时间（也许我所说的话也会被加入前面的失败预测列表中）。尽管如此，积极的宣传有利于吸引资金，维持其研发，而它背后的科学研究也的确很有趣。