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芯片的发展经历了晶体管、集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路等几个阶段，其中晶体管是最最基本的电路单元。晶体管就是利用量子力学原理制造的。在可以预见的未来，不论采用什么材料，同样是用量子力学来设计制造新的芯片。为了说明这个问题，缓解疫情期间技术宅男的寂寥，老郭带您亲手做一个发光二极管，并解释其中的量子力学原理。 一、LED发光二极管的原理 电炉子通电后是可以发光的，同时发出热量。LED发光二极管的原理与电阻丝不一样，它不是利用热效应发光，而是通过电子在不同能级之间的跃迁来发光。能级、跃迁都是量子力学中的物理概念。 在量子力学中，原子核外的电子处于不同的能级上，当电子从高能级跳跃到低能级的时候，它就会释放出相当于这两个能级之间能量差的光子，并满足能量守恒定律。 当我们把很多个同样的原子排列在一起，组成一个半导体晶体的时候，单个原子中的外层电子会受到其它原子核的影响，使得它们的能级自发地分成两组，这些新形成的能级被称为“能带”。 其中能量较低的能带被称为“价带”，能量较高的能带被称为“导带”，通常导带是空空如也的。在两个能带之间，有一个非常关键的空隙，叫做“能隙”或者叫做“禁带”。在禁带中没有任何能级，也就是说，电子不能待在这里。 由于禁带的存在，位于价带的电子想要到达导带就是一件很困难的事情，这需要电子从外界获取能量。 如果我们需要这个半导体发光，就需要电子从导带跃迁到价带，由于能量守恒，电子就会释放出光子，这个能量等于能带的宽度。 为了把电子提升到导带上去，就需要在半导体中掺入一些物质，这个工艺叫做“掺杂”。比如我们往纯净的硅中掺入一点磷，这些原子比硅多出一个最外层电子，所以当它们取代了一些硅原子之后，晶体中就会多出一些自由电子来。 这些自由电子由于价带已经满了，根据泡利不相容原理，每个能级只能容纳两个电子，所以只能移动到导带。这种半导体叫做N型半导体，因为电子带负电。 另外一种半导体是P型半导体，同样是采用掺杂的手段，比如加入铝或者硼这种外层电子比硅少一个电子的原子，这时候就会制造出一个电子的空穴出来。空穴等效于带正电的粒子。 当我们把这两种半导体紧密贴在一起时，N型半导体内的电子就可以补充到P型半导体的空穴中，就可以发光了。 但是这种发光如果没有能量的补充是不能持续的，一旦两种半导体中的电子和空穴都用完了，就会形成一个所谓的“耗尽层”。这个层会阻碍N型半导体中的自由电子进入P型半导体的空穴与之复合。 为了能够让这个新的半导体持续发光，我们需要将N型半导体接到电源的负极，把P型半导体接入到电源的正极，这样，在电源的驱动下，这个新的半导体，即LED发光二极管就可以持续工作啦。 二、亲手制作一只发光二极管 我们需要的材料是，一个可以调节电压的直流电源、两根铜导线、一块碳化硅矿石。这些东西某宝上都有卖的。 当一切准备齐全之后，我们把矿石用导线接到电源正极上，另一根导线接到电源的负极上，调整电源电压为10伏以上，用负极铜导线接触矿石的表面。 操作的时候需要注意的是，只有矿石上少数地方能发光，有些特别光滑有彩色的地方不能发光，因为那些地方覆盖着一层二氧化硅薄层，不导电，从而阻碍了发光二极管的形成。 这样操作的碳化硅矿石之所以能够发光，是因为在矿石中还有很多铝和铁的杂质，这些杂质使得矿石中有很多空穴形成。所以碳化硅矿石可以看做是一个P型半导体。而铜导线虽然没有能隙，所有的能级都是紧密靠在一起的，没有导带和价带的分别。但铜里面有很多自由电子，所以我们把铜线看做一种特殊的N型半导体。 当铜导线中的电子，在电源的驱动下，进入到碳化硅矿石中时，电子就与矿石中的空穴产生复合，从而发光。发光的点就在铜线与矿石的接触点位置。 结束语 集成电路（芯片）中的每一个小单元都是一个二极管，每个二极管的工作原理都与我们亲手制作的那个发光二极管的原理类似，都是在量子理论的基础之上研发出来的产品。 不仅芯片的原理是基于量子力学，即使是芯片的加工制作工艺（曝光和掺杂）同样是基于量子力学原理来自作的。 如果您有兴趣按照前面介绍的方法制作一个LED发光二极管，你就会发现，其实量子力学就在我们身边，它并不是遥不可及的空中理论，而是实实在在的身边科学知识。 我是郭哥聊科学，欢迎点赞、评论、转发和关注支持。 |
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