大家好，這是一篇關(guān)于芯片領(lǐng)域最基礎(chǔ)的原材料“單晶硅棒”的科普文章，這是一根神奇的棒子！

在正式開(kāi)始前，請(qǐng)先讓我簡(jiǎn)短的說(shuō)一點(diǎn)兒別的內(nèi)容。有讀者可能發(fā)現(xiàn)，這篇文章的標(biāo)題多了個(gè)前綴“芯片的世界丨”。

芯片對(duì)于我國(guó)有著特殊的意義，是我國(guó)科技領(lǐng)域的最大瓶頸，這顆芯也折磨著無(wú)數(shù)讀者的心。大家盼著我國(guó)芯片技術(shù)突破，盼著5nm光刻機(jī)誕生，盼著華為挺起胸膛向美國(guó)怒吼，盼著我們自己的實(shí)體清單上能列滿美國(guó)企業(yè)名單......

技術(shù)進(jìn)步是需要時(shí)間的，為了讓不了解芯片的讀者在漫長(zhǎng)的等待中，能夠?qū)π酒嘁恍┱J(rèn)識(shí)，也能更好的去消化各種芯片相關(guān)的信息，我準(zhǔn)備圍繞芯片，多寫(xiě)幾篇文章，爭(zhēng)取形成一個(gè)系列。如果您對(duì)我的文章感興趣，歡迎關(guān)注我！

文章內(nèi)容會(huì)圍繞著芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，芯片設(shè)計(jì)包括了基礎(chǔ)知識(shí)、設(shè)計(jì)工具、指令集和架構(gòu)、芯片產(chǎn)品設(shè)計(jì)等；芯片生產(chǎn)包括了原材料、制造設(shè)備、生產(chǎn)、封測(cè)等?？赐曛?，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，光刻機(jī)只是芯片行業(yè)的滄海一粟，芯片的世界實(shí)在是太大了！

文章內(nèi)容爭(zhēng)取做到讓文科生也能理解，大家在閱讀的過(guò)程中，就權(quán)當(dāng)在為我國(guó)芯片事業(yè)加油吧！

接下來(lái)讓我們進(jìn)入正文，謝謝大家的耐心！

正文

硅，是地球中儲(chǔ)量排名第三的元素。

第一是鐵，約占32%，地球內(nèi)部基本是一個(gè)滾燙的大鐵芯；

第二是氧，約占30%，主要存在于地殼和空氣中，是構(gòu)成各種化合物的基礎(chǔ)。

而硅，約占15%，主要存在于地殼中，以二氧化硅和各種硅酸鹽等化合物的形式，廣泛存在于礦物、巖石和沙子中。

我們應(yīng)該記住一個(gè)科學(xué)家，瑞典化學(xué)家瓊斯·雅可比·貝采里烏斯（Jons Jakob Berzelius)，1823年他發(fā)現(xiàn)硅是一種元素。

關(guān)于硅有一些有趣的事情，給大家舉兩個(gè)：

硅以前叫做矽（xi 一聲），是從英文Silicon音譯來(lái)的。因?yàn)榕c另外的化學(xué)元素“錫”和“硒”同音易混淆，我們大陸在1953年改為硅。而港澳臺(tái)還使用“矽”字，如“矽谷”（硅谷），所以大家看到矽谷不要以為是寫(xiě)錯(cuò)了。

硅和碳是同族元素，地球中硅含量15%，而碳則屬于others，和另外109種元素加起來(lái)才占1.2%。可是地球上的生命卻是碳基的，這在概率上說(shuō)不通啊，所以有些人認(rèn)為地球生命起源于外星球，也就是說(shuō)我們?nèi)祟愂堑厍虻闹趁裾?，這聽(tīng)起來(lái)是不是很科幻。當(dāng)然更多的科學(xué)家認(rèn)為碳比硅有更好的活性，容易和其他元素構(gòu)成大分子有機(jī)物，所以外星人的觀點(diǎn)僅供大家?jiàn)蕵?lè)。也有一些科學(xué)家堅(jiān)信宇宙中確實(shí)有硅基的生命體，就是不需要呼吸氧氣的那種。

硅的用途實(shí)在太多了，是現(xiàn)代人離不開(kāi)的元素。冶煉用的工業(yè)硅、化工用的有機(jī)硅、光伏用的多晶硅、商砼(tong 二聲)用的硅粉，還有芯片用的單晶硅。硅可以說(shuō)上得廳堂，下得廚房！

硅的半導(dǎo)體特性

關(guān)于芯片為什么一定要用半導(dǎo)體這種偏理論的知識(shí)，我們放到后續(xù)文章去談，這里就科普一下硅的半導(dǎo)體特性。

硅半導(dǎo)體特性的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)曲折的過(guò)程，硅元素被發(fā)現(xiàn)后，人們對(duì)硅的認(rèn)識(shí)很迷茫。硅到底是金屬還是絕緣體？當(dāng)時(shí)的人認(rèn)知比較簡(jiǎn)單，認(rèn)為金屬是導(dǎo)體，不是金屬就一定是絕緣體。這一爭(zhēng)論持續(xù)了100多年，最終人們才發(fā)現(xiàn)硅既不是金屬，也不是絕緣體，而是半導(dǎo)體！

硅的半導(dǎo)體特性，從學(xué)術(shù)上來(lái)講，是因?yàn)楣柙有纬删w時(shí)，有三個(gè)能帶：導(dǎo)帶，禁帶和價(jià)帶。如果有電子在導(dǎo)帶，就能移動(dòng)并導(dǎo)電?？上綍r(shí)電子處于價(jià)帶，和導(dǎo)帶之間隔著禁帶。但是在某些條件下，比如電壓、電流、光照和熱等因素激發(fā)，電子就跳過(guò)禁帶躍遷到導(dǎo)帶，所以就能導(dǎo)電了。

如果有讀者還不清楚，咱再舉個(gè)生動(dòng)的例子：

硅晶體的價(jià)帶就相當(dāng)于一個(gè)國(guó)家的國(guó)內(nèi)，禁帶就相當(dāng)于海關(guān)，而導(dǎo)帶相當(dāng)于出國(guó)的航班。電子就是國(guó)內(nèi)的人，平時(shí)沒(méi)有護(hù)照和簽證是沒(méi)法出國(guó)的，海關(guān)會(huì)把你攔下來(lái)?？梢坏┠戕k了護(hù)照和簽證，就可以順利通過(guò)海關(guān)坐上出國(guó)的航班，一路暢通無(wú)阻。護(hù)照和簽證就相當(dāng)于電壓、電流、光照和熱。

順便說(shuō)一下，導(dǎo)體中的電子相當(dāng)于有國(guó)外綠卡的人，可以隨便出國(guó)。而絕緣體中的電子相當(dāng)于護(hù)照被組織收上去的體制內(nèi)人員，哪也去不了。

其實(shí)純硅的半導(dǎo)體特性并不實(shí)用，因?yàn)樗慕麕П容^尷尬：

對(duì)于低壓應(yīng)用，比如芯片，它的禁帶太寬，相當(dāng)于海關(guān)手續(xù)太繁瑣。所以在實(shí)際應(yīng)用中要添加其他元素調(diào)節(jié)禁帶，一般是硼和磷，在禁帶和導(dǎo)帶之間形成雜質(zhì)能帶，作用就相當(dāng)于簡(jiǎn)化海關(guān)手續(xù)，一站式通關(guān)。

對(duì)于高壓應(yīng)用，比如大功率器件，它的禁帶又太窄，相當(dāng)于海關(guān)監(jiān)管不嚴(yán)，一有沖關(guān)就把不住了。所以需要更寬的禁帶，第三代半導(dǎo)體碳化硅，砷化鎵就應(yīng)運(yùn)而生，我的其他文章有說(shuō)到第三代半導(dǎo)體。

本文討論的主要是電腦和手機(jī)的低壓芯片，所以要對(duì)純硅添加雜質(zhì)。要添加雜質(zhì)，首先得有純凈的單晶硅才行，接下來(lái)咱們就說(shuō)說(shuō)單晶硅的生產(chǎn)。

能讀到這的讀者，敬佩你，請(qǐng)加油！

單晶硅棒

單晶硅棒

上圖這根棒子，就是我們今天的主角——單晶硅棒。

硅是迄今為止人類能夠提取的最純物質(zhì)，純度最高能夠達(dá)到99.99999999999999%，不用數(shù)了，一共是16個(gè)9！真的如夢(mèng)幻一般！可以說(shuō)純硅比鉆石更能代表愛(ài)情的純潔！

硅的純度一般用N表示，N