[科普中国]-半导体是个好东西，不仅能做芯片，还能用来做“炒酸奶”

生活中，我们觉得很多东西越大越好，比如房子。

也有很多东西，我们觉得小一些更好，比如手机。

现在的手机屏幕通常会做得比较大，但是厚度、重量比二三十年前的“大哥大”要小太多了。我们现在可以“拿着”手机出门，但大哥大给人的感觉好像要“扛着”它出门。“大哥大”功能很单一，基本上只能打电话；当然了，以它那个块头，要用来防身也行。如果当时真要把“大哥大”做得像现在手机，有这么多功能，那就得做得更大，估计得“背着”出门了——不知道的还以为背的是钢琴。

最早的计算机也是个庞然大物，有好几层楼那么高，运算的时候需要好多人在里面来回跑来跑去地接线——真是工作健身两不误。 现在能把电子产品做得这么小、实现“微型化”，这里面的科学叫作“微电子学” 。那么是怎么实现微型化的呢？其实就是把原来的一大堆东西，变成了一个小小的芯片。

变形记

对于电脑来说，“芯片”确实像人的“心脏”一样重要，但从功能上看，它其实 更像人的大脑 。芯片的作用主要有两方面：一方面是 运算处理 ，能像学理科一样算出来很多东西；另一方面是 数据存储 ，能像学文科那样背下来很多东西。芯片真可以说是“文理双全”的“最强大脑”。

制造芯片所用的是一种半导体材料，叫作“硅”。它的来源特别广，最主要的来源是一些沙子和碎石，也可以说 芯片是用沙子“变”来的 。当然，把沙子变成芯片靠的不是点石成金，更不是掐诀念咒，而是一套非常复杂的设计和加工过程。

沙子的主要成分是 二氧化硅 ，制造芯片需要把沙子熔化，通过化学反应将其变成硅单质，做成单晶硅的“柱子”，然后像切黄瓜一样把柱子切成硅片。“芯片”就是以这个硅片为基底，通过蒸发、溅射、化学气相淀积等一系列方法在硅片的表面生成出一层薄膜，然后把这一层薄膜刻成我们需要的图形。

所以我们需要的 电学器件、电路实际上是通过一层一层膜的图形化来实现的 ，这个过程是在一个平面上进行加工，叫作“ 平面加工工艺 ”。这有点像我们摊煎饼，会在衬底上先刷一层酱，再刷一层辣椒，再撒葱花，再放薄脆。芯片加工的过程主要就是反复生成薄膜，进行图形化的过程。

芯片图案里面的连线非常细，几纳米或者十几纳米。制作芯片的成本非常高，有时候 做一批芯片可能需要花费几千万甚至上亿人民币 ，但可以一次做很多硅片，每张硅片又可以做成很多个小芯片，平均下来一个芯片可能只要几块钱、几十块钱。为什么要做小？第一是为了 微型化 ，手机需要做小；第二是为了 降低成本 ，做得越小，一次做出来的数量越多，成本就越低。

什么是半导体

芯片的设计、加工方法、封装测试等方面都需要大量的研究，研究芯片的行业被称为“ 半导体行业 ”。有的人一听，会误以为这个行业是制造收音机的，因为用半导体材料制造的收音机曾经很流行。实际上 半导体这类材料不仅能用来做收音机，其更大的贡献在于制作芯片 。

人们可能对“导体”这个词很熟悉，像铜、铁这种具有较好导电特性的材料就被称为“ 导体 ”，而像陶瓷、橡胶这种导电性能极差的材料被称为“ 绝缘体 ”。 导体之所以能导电，是因为里面包含了大量能够自由移动的“导电粒子” ，称为“ 载流子 ”。拿金属来说，金属原子的原子核能力有限，而原子最外层的电子特别活泼，原子核“管不住”，就成了“自由电子”。金属包括大量的自由电子，所以能够导电。而陶瓷中的自由电子极少，几乎不能导电。

顾名思义，“半导体”就是导电性能介于“导体”和“绝缘体”之间的材料，可以说是“两边倒”。尤其是掺入一些杂质之后的半导体材料，会有一定的导电性，但却是可以被“操控”的。所以由半导体材料做出来的器件，在某些条件下能够导电，而在另一些条件下不能导电， 具有“让你导电你就导电，让你不导电你就不导电”的特点 。这样就可以做出来具有“开关”的电子元件，而在电子设备中通常用1和0这种开关的通断来表示，再用1和0组成二进制的数字进行运算和存储，表达各种信息，芯片就是利用这样的原理做出来的。

不过，半导体不仅能用来做芯片，还能用来做“炒酸奶”。

如何自制炒酸奶

怎么用半导体做“炒酸奶”？当然不是把半导体材料作为食材，而是作为加工工具。所谓的“炒酸奶”是 用一个能够制冷的铁板，把酸奶倒入锅中，搅和至片状 。这个锅之所以能制冷，用的就是“ 半导体制冷片 ”，其中的原理叫作“第 二热电效应 ”。

第二热电效应也叫“ 珀耳帖效应 ”，这个效应是说 把两种不同的导电材料串联在一起，通电之后，两个接头分别出现吸热和放热的现象 。我们常用的“半导体制冷片”就是把两种掺杂不同杂质的半导体材料相串联，通电之后一端放热，而另一端吸热制冷，形成“ 热泵 ”。

可能有人会说，既然这叫“第二热电效应”，那就肯定有“ 第一热电效应 ”呀。确实，第一热电效应又叫“ 塞贝克效应 ”，它与第二热电效应的过程正好相反——如果两种导体或者半导体组成一个回路，两端接触点的温度不同（比如把两个端头分别放在冷水和热水中），就会产生电流，也会有相应的电压。利用这种现象，就 可以把温度信号转化成电信号来测量温度 ，所谓“ 温差发电机 ”利用的就是这个原理。

其实还有“ 第三热电效应 ”（也叫“ 汤姆逊效应 ”），说的是一个导体或半导体，如果两端有温差并且有电流通过的话，就会吸热或者放热（除了电阻产热以外）。

“炒酸奶”的机器和一些车载冰箱利用的都是“第二热电效应”。其实你从网上买个半导体制冷片，放在平底锅或者铁板下进行改造，没准就能自制炒酸奶的机器。要是在半导体制冷片上再加一个塑料泡沫箱子，还能自制一个简易冰箱。不过自制的时候要特别注意用电安全哦。

如此说来，手机、沙子和炒酸奶的共同之处就在于，都和半导体材料有着“纠缠不清”的关系。

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作者：张宇识

编辑：吴青

排版：雷颖

题图来源：图虫创意