开启计算机时代的硅元素

为了庆祝元素周期表诞生150周年，联合国宣布将2019年定为“国际化学元素周期表年”。以此为契机，《科学大众·中学生》杂志打造“元素家族”专栏，节选江苏科普作家鲁超所著《鬼脸化学课·元素家族》部分内容进行刊载，供同学们阅读、学习。

硅位于元素周期表第14位，在地壳中是第二丰富的元素，以二氧化硅或复杂的硅酸盐的形式，存在于岩石、砂砾、尘土之中。单质硅是应用性很强的半导体材料，是目前制造计算机芯片、集成电路的基石。可以说，没有硅，就没有现在我们喜爱的各种电子产品了。

迟到的“王者”

虽然硅广泛存在于这个世界上，但是将单质硅分离出来是一件很难的事情，所以人们很晚才见到它的真面目。人们得到单质硅以后，它又默默无闻了很久。一直到20世纪下半叶，它才成功地逆袭上位，成为计算机时代的重要角色。

说到硅元素的发现史，又得提到一长串熟悉的名字。

1787年，法国化学家拉瓦锡认识到石英中含有一种元素，他将它列在第一份元素名单里，名字叫“Silice”，意思是石英。

1808年，英国化学家戴维信心爆棚地宣布他发现了4种元素的踪迹，石英里的元素是其中之一，因为他相信这种新元素是一种金属元素，所以他将这种新元素命名为“Silicium”。

但戴维并没有得到一丁点纯硅，1811年，法国化学家盖一吕萨克先制得了四氟化硅，然后他尝试用钾去还原它，得到了一些无定形硅（又称非晶硅，是硅的一种同素异形体），但实在是不纯，无法进一步作分析研究。

1817年，英国化学家托马斯-汤姆森提出硅应该是一种非金属，所以他建议用“Silicon”这个名字，类似碳的“Carbon”和硼的“Boron”，这个名字一直沿用至今。

1823年，经过之前几位中场大师的传递配合，最终由瑞典化学家贝采尼乌斯完成了“破门”，他用钾还原氟硅酸钾，得到了一团棕色粉末，他将粉末反复冲洗，最终得到了较纯净的无定形硅。地球上第二多的元素终于见天日了。

发现硅元素30多年后，法国人德维尔将无定形硅跟氯化钠、氯化铝混合，然后电解，第一次得到了较纯的晶体硅。

单质硅被制得以后，并未引起大家的重视。它的熔点很高，高达1410℃，但比石英要稍微差一点。它在常温下的化学性质比较稳定，不太容易和其他物质发生反应。但是到了高温下，单质硅就活泼起来，它和氧的化学亲和力尤其强大，很喜欢从金属氧化物里把氧夺过来。所以用它来还原氧化物，是再好不过的。

很多物质纯度高到一定程度以后，其化学性质会变得完全不一样，硅也是如此。

将石英和木炭混合，加热到1900℃以上，通电让它们电解，可以得到纯度98%以上的硅，被称为冶金级硅。由于其中含有一些金属，也叫它金属硅，或者硅金属。这种硅材料已经商品化，主要用于生产白炭黑和有机硅，以及继续纯化，生产更加纯净的硅。

让氯化氢和粗硅粉反应生成氯硅烷，然后让氯硅烷在氢气气氛的还原炉中还原沉积，就得到了比较纯净的硅晶体，纯度可以达到99.99%。这种硅晶体虽然已经如此纯净，但是其内部存在很多种结晶方向，不是一整块大晶体，称为多晶硅。

科学家们还不满意，他们继续将多晶硅熔融，将一块比较规则的种子晶体慢慢浸入硅熔体中，逐渐冷却，让硅晶体在种子晶体上慢慢生长，最终可以得到一块完美的硅晶体，这就是单晶硅，纯度可以达到99.9999%以上。

20世纪60年代，人们发现只要在硅晶体中掺入极微量的第三主族元素，比如硼元素，或者第五主族元素，比如磷元素或砷元素，硅就会表现出很活跃的半导体性能。这让之前一直默默无闻的硅元素一下子走上了科学技术最前沿的大舞台，一直保持到现在。

硅元素初显身手

二战后的1946年，美国发明了世界上第一台基于图灵思想的电子计算机——埃尼阿克（ENIAC）。今天的人看埃尼阿克，简直难以想象，这个重达30吨的大家伙，包含了约18000支电子管，人们要给它专门供电，其计算能力却只是每秒5000次，现在随便一个手掌计算器都可以完爆它。当时可能谁都没有想到，这将开启一个伟大的计算机时代。

1947年，美国贝尔实验室发明了晶体管，用于取代计算机中的电子管，创造了第二代计算机。第二代计算机更加小型化，能耗降低，计算能力提高到每秒10万次以上。

1958年，美国人基尔比用半导体做出了一个新玩意儿，他这样描述自己的发明：“在一个半导体材料的体内，所有的组成电路看似各自独立，却都是高度集成的！”因此他的新玩意儿被称为“集成电路”。他的发明迅速被美国空军采用，继而被应用到电子计算机中，他还因此获得了2000年诺贝尔物理学奖。

基尔比发明的集成电路使用的是锗元素，硅元素无疑比稀有的锗更加便宜，而且硅元素的耐高温性能和抗辐射性能也更好。所以，仅仅半年后，美国仙童半导体公司的诺伊斯就发明了基于硅的集成电路，解决了基尔比集成电路的很多缺点。接下来，几乎是一夜之间，硅元素就取代了锗元素，成为半导体行业的明星，开启了第三代计算机一一集成电路数字机时代，这一代计算机速度更快，而且成本更低。

神奇的摩尔定律

基于基尔比、诺伊斯的发明，1971年，美国英特尔公司的费金工程师制造出了世界上第一款商用的CPU微处理器-lntel 4004，它被称为“超大规模集成电路”。第四代计算机的时代到来了，它的基础就是硅元素！

Intel 4004是一件划时代的作品，它小到不可想象，尺寸只有3毫米×4毫米，片内集成了2300个晶体管，晶体管之间的距离是10微米，每秒运算6万次，当时的成本只有不到100美元。英特尔公司的首席执行官戈登-摩尔将它称为“人类历史上最具革新性的产品之一”。

这位摩尔先生更有高论，早在1965年，他就预言道： “当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，每隔18-24個月便会增加一倍，性能也将提升一倍。”这被称为摩尔定律。

半个世纪过去了，摩尔定律一直在发挥着作用。2012年，晶体管间距已经降低到了22纳米，2015年，降低到了14纳米。摩尔定律是摩尔先生的神奇预言，更是他对计算机行业的伟大指引，每当有人跳出来，提出对硅材料的开发已经接近终结、摩尔定律即将走到尽头时，总会有新技术诞生，继续挖掘硅元素的潜力。计算机的发展史，体现了人类的进取精神，摩尔定律就好像一面旗帜，带领我们走向更加神奇的未来。

我们看到，摩尔定律的指引让计算机的运算速度不断提高，更让计算机的小型化成为现实，如今手提电脑早已普及，随便一部智能手机的功能都已经远超早些年的电脑。我们在享受信息时代的便捷时，是否想到了这些电子消费品的“心脏”是用硅做的呢？

（责任编辑：白玉磊 责任校对：赵梦祺）