硅是什么？为什么要用硅做芯片？

      硅是什么？你们可以很容易地给出不同侧面的正确答案：硅是元素周期表第14号元素；硅是宇宙中的一种广泛存在的元素，其质子数比铝多一个，比磷少一个。甚至知识更渊博的读者还知道硅的同位素种类，硅的化学性质……而在我们关注的行业内，硅则是被提及到最多的元素；因为硅元素不仅在现代建筑中发挥了重要价值，而且也是现代电子计算器件的物质基础。除此之外，硅也是我们寻找外星生命的基本可能元素之一。

那么，硅到底有什么不同呢？

　　硅的最重要的特点是什么？很简单，硅非常非常多！在地壳上，硅是仅次于氧第二丰富的元素，但是你基本上无法在自然界找到硅单质，其最常见的化合物是二氧化硅和硅酸盐。而其中二氧化硅又是沙子的主要成分之一。此外，长石、花岗石、石英等化合物都是基于硅-氧化合物。

　　硅化合物具有多种有用的性质，其中很主要的一点是它们可以和其它原子进行非常紧密的结合，结构也非常复杂。多种硅酸盐（如硅酸钙）是水泥的主要成分。一些含有丰富硅酸盐的材料可以在高温下硬化成为陶瓷或者用来制成玻璃。硅也可以用作其它材料的添加剂，如铸铁，可以使得制成的铁更有韧性而不易碎裂。

　　硅作为计算机芯片

　　当需要选择一种材料作为计算机中晶体管的基本材料时，我们需要考虑的关键词是电阻。导体的电阻非常低，可以很容易导电；而绝缘体的电阻很高，不能导电。对于晶体管而言，必须要能够根据需要对晶体管的开关进行控制，我们就需要半导体。半导体的电阻介于导体和绝缘体之间，也就是说其在不同条件下会表现出不同的性质。

　　当然，硅并不是地球上唯一的半导体元素，甚至算不上是最好的。但很重要的一点是硅是一种非常丰富的元素。在地球上的每一个地方硅都可以很轻松地获得，并不需要特定的矿厂。而且经过了几十年技术的发展，硅的处理工艺已经发展成熟，人类已经可以可以在工厂中生产近乎完美的硅晶体。这些硅晶体相对于硅就等于是砖石相对于碳。

　　所以硅就当之无愧地成为了现代计算机芯片的基础。工厂生产好的硅晶体再经过切片处理变成晶圆，然后在经过蚀刻等等多项工艺流程最终制成我们可以使用的芯片。事实上也可以使用碳和锗等材料来生产晶圆，但是在大规模生产中得到所需要的大晶体结构，硅还是稳坐头把交椅。

目前，硅晶体铸块主要的生产尺寸是300毫米直径圆柱体，实验室研究则快要达到450毫米。这将使得晶圆制造的成本继续下降，从而继续提升计算速度。但是现在也有一些发展趋势将放弃使用硅而使用其它材料，这对计算机速度的提升来说当然是好事。

硅与外星生命

不知道你是否听说过“碳基生物”这个词，它表示构成生物的主要分子（蛋白质、氨基酸、核酸、脂肪酸等等）都构建在碳原子构成的骨架上。地球上的几乎所有生命都是碳基生命。而碳如此强大的原因就在于其“四价”的化学键，相比较而言，氧元素只能形成两个稳定的化学键（如H2O），氮能形成三个稳定的化学键（如NH3）。而碳则一次性能够和四个不同的原子相连（如CH4）。“四价”的独特属性有利于形成即坚固又复杂的分子，从而成为生物进化发展的基础。

　　而如何你还记得高中的化学知识，你就知道元素周期表中硅就处在碳的下方，所以硅也是一种四价元素。所以硅也可能成为一种可能的生命体的结构元素，从而出现科幻作品中描述的“硅基生物”；甚至也可能碳和硅互相结构形成特定的结构，从而为不同的生命形态奠定基础。

《星际迷航》中的Horta据说就是硅基生物

在硅含量高于碳含量的地球上，最后形成的却是碳基生命，而非硅基生命。原因还是可以在元素周期表上找到。硅位于碳的下方，有较大的电子壳层和较重的原子核，这些特点使得硅在一些更为细化的任务（如DNA重组）上表现得更为困难。硅也比碳更加迟钝，这就意味着硅基生命的发展所依赖的化学特性更少，或者需要更多更广泛的硅基有机物酶。

　　但地球上的情况并不一定适用于全宇宙，也许有的地方真的存在着以硅为基础的生命体，这些生命的结构形式将和地球上的生命体完全不同。

　　硅和你

　　硅还将继续作为一个重要的关键词出现在你所关注的领域之中。因为即使是很多下一代的计算平台也使用了硅衬底。

　　未来我们发现其他更加新颖独特的利用硅的方式吗？未来我们会在宇宙的某一处发现硅基生命体吗？可是是也可能不是。但至少在接下来的100年，硅还将继续发挥重要的价值。

　　也许最终我们将不再将硅视作一种具有重要价值的材料，但硅在人类科技文明的初期给人类带来的巨大价值会将永远被铭记。