金子会发光玻璃渣只会反光（俗话说得好是沙子）

这个引子有点正经

科学、技术和生产三者的关系，包含着许许多多中间环节和过渡阶段，要经历各种层次的“反馈”和“前馈”。

现代科学技术史上的重大突破，有一条共同规律：它们并不来自当时社会生产的直接需求，而是在生产和技术提供的整体背景上，出现在安静的科学实验室中。

当前的生产需求只能导致技术革新，为了认识世界而进行的包括理论分析在内的科学实验才会引发科学和技术的革命。不是改进蜡烛的工人发明了电灯，电动机也没有诞生在内燃机工厂，电子计算机的出现与手摇或电动计算机的制造几乎没有关系。

基础科学的进步比解决任何一个生产厂家的要求，更有效地推动着社会历史前进。“于无声处听惊雷”——这是科学发展的历史事实和基本规律。

19世纪上半叶，当提高蒸汽机和内燃机效率曾是生产技术提出的最迫切要求之时，安培、奥斯特、法拉第这些物理学家却在潜心研究电流如何使磁针偏转，电流又如何彼此相吸和相斥。掌握了物理规律，电动机和发电机就在19世纪60年代应运而生。电气化的时代就开始了。

还有就是热机研究有一项并不十分引人注目的副产品，这就是真空技术。它使得物理学家们能够把玻璃管抽成真空或充以各种气体，研究放电时产生的五颜六色的光线。

霓虹灯

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这些19世纪下半叶物理实验室里的玩意儿，与当时的生产技术有多少关系呢？

然而原子光谱和量子力学、X射线和放射性，这些改变了20世纪生产面貌的重大进展，哪一件不与气体放电的研究有关呢？就连20世纪上半叶广泛用于无线电通信的电子管，也是气体放电和真空技术的直接后果。

电子计算机问世时，并没有自己的“专用”元件。它从无线电通信技术中借用了各种电真空器件，电阻电容元件和继电器。半导体元件最初也不是为计算机研制的。然而，如果说20世纪后半叶半导体工业的发展，主要是适应电子计算机和整个信息技术的需求，这已是毫不过分的话。

从20世纪60年代以来半导体技术发生的巨大变革，是以物理学基础研究近百年的成果为前提的。

1 从“闲材”变成人类数字文明的物质基础

半导体从没有用武之地的“闲材”，变成人类数字文明的物质基础，经历了150年以上的研究和发展过程。化学家和物理学家们做出过无以计数的大大小的发现和发明，才使其最终成为独立的技术科学和工业门类。

19世纪电工技术的需求，促使人们去研究各种材料的导电性质。人们最感兴趣的首先是那些良好的导体——铜、银、铝、汞，以及许多其他金属和合金，它们的室温电导率高达10的4次方~10的6次方/(欧姆·厘米）。不导电的绝缘材料也是电机工业离不开的，它们的电导率低达10的-22次方~10的-10次方/(欧姆·厘米）。在导体和绝缘体之间，电导率介于10的-9次方~10的3次方/(欧姆·厘米）的材料，自然称作半导体。在很长一段时期，半导体被认为是对于电工技术没有多大用处的材料。

2 半导体的范围

许多种矿石，元素周期表第四、五、六族的非金属元素，一些合金和有机染料，都属于半导体的范围。

作为化学元素，1817年发现硒，1811年分离并在1823年确认了硅。

1850年注意到，同金属相反，半导体硫化银的电阻随温度上升而下降。这在以后相当长的时期曾用做半导体的判据。

1886年发现了锗，1891年合成了并不存在于自然界中的碳化硅。硒曾经长期用作玻璃的染色和去色剂，而碳化硅一直用作高级磨料，高温电阻和耐火材料。

1883年发现了硒整流作用，1920年以后开始生产硒整流器，这就是至今仍在使用的“硒片”和“硒堆”。1926年半导体氧化亚铜（Cu2O)也用于生产整流器。

整流器是电源供应器的一部份，可以将交流电转换成直流电的装置或元件也被用来作无线电讯号的侦测器等。整流器可以是固态二极管 、真空管二极管、汞弧管、或是氧化铜与硒的堆叠等做成。

各种桥式整流器，左下为硒整流器，其他都是常用的硅整流器

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3 接下来才是半导体的真正作用！

在1923年肖特基初次提出固体整流理论时，就曾指出这种整流器

与三极真空管有类似之处。

然而，真正自觉地利用半导体的电性质，还要等待科学和技术的两项重大进展。

其一是在1928~1940年期间，科学家把量子理论用于固体，真正理解“半导”性质的根源。

其二是在1935~1950年期间，制备高纯材料的方法才臻于完备。顺便指出，制备高纯材料的要求，并不是出于当时还不存在的半导体工业，而主要是由于核技术的需要。

原来半导体的许多美妙性质，并不来自纯半导体本身，而是源于其中的

杂质

。只有学会先把半导体材料高度提纯，再有控制地掺入杂质，才能得到技术上有用的材料和结构。我们要强调“结构”二字，因为现今广泛应用的半导体器件，都是由特定材料制成特殊结构来实现的。

参考资料：

《物理学史》[M]. 北京:商务印书馆,1978.

《半导体物理学（第四版）》[M]. 国防工业出版社, 2010.

http://wikipedia.moesalih.com/Semiconductor

https://twitter.com/AkiyoshiKitaoka

https://www.reddit.com/r/pics/comments/px2j3/made_a_gif_of_the_munkerwhite_illusion_for_class/

https://twitter.com/NovickProf/status/1139342022551191553

https://www.youtube.com/watch?v=nTOTmED9EzU

来源：中科院半导体所

编辑：Kun

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