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        半導體材料的第二、第三熱電效應

        制造芯片所用的是一種半導體材料,叫作“硅”。它的來源特別廣,主要的來源是一些沙子和碎石,也可以說 芯片是用沙子“變”來的。當然,把沙子變成芯片靠的不是點石成金,更不是掐訣念咒,而是一套非常復雜的設計和加工過程。  
        沙子的主要成分是 二氧化硅,制造芯片需要把沙子熔化,通過化學反應將其變成硅單質,做成單晶硅的“柱子”,然后像切黃瓜一樣把柱子切成硅片。“芯片”就是以這個硅片為基底,通過蒸發、濺射、化學氣相淀積等一系列方法在硅片的表面生成出一層薄膜,然后把這一層薄膜刻成我們需要的圖形。 
        所以我們需要的 電學器件、電路實際上是通過一層一層膜的圖形化來實現的,這個過程是在一個平面上進行加工,叫作“ 平面加工工藝”。這有點像我們攤煎餅,會在襯底上先刷一層醬,再刷一層辣椒,再撒蔥花,再放薄脆。芯片加工的過程主要就是反復生成薄膜,進行圖形化的過程。 
        芯片圖案里面的連線非常細,幾納米或者十幾納米。制作芯片的成本非常高,有時候 做一批芯片可能需要花費幾千萬甚至上億人民幣,但可以一次做很多硅片,每張硅片又可以做成很多個小芯片,平均下來一個芯片可能只要幾塊錢、幾十塊錢。為什么要做小?第 一是為了 微型化,手機需要做小;第二是為了 降低成本,做得越小,一次做出來的數量越多,成本就越低。 
        什么是半導體
        芯片的設計、加工方法、封裝測試等方面都需要大量的研究,研究芯片的行業被稱為“ 半導體行業”。有的人一聽,會誤以為這個行業是制造收音機的,因為用半導體材料制造的收音機曾經很流行。實際上 半導體這類材料不僅能用來做收音機,其更大的貢獻在于制作芯片。 
        人們可能對“導體”這個詞很熟悉,像銅、鐵這種具有較好導電特性的材料就被稱為“ 導體”,而像陶瓷、橡膠這種導電性能極差的材料被稱為“ 絕緣體”。 導體之所以能導電,是因為里面包含了大量能夠自由移動的“導電粒子”,稱為“ 載流子”。拿金屬來說,金屬原子的原子核能力有限,而原子外層的電子特別活潑,原子核“管不住”,就成了“自由電子”。金屬包括大量的自由電子,所以能夠導電。而陶瓷中的自由電子極少,幾乎不能導電。 
        顧名思義,“半導體”就是導電性能介于“導體”和“絕緣體”之間的材料,可以說是“兩邊倒”。尤其是摻入一些雜質之后的半導體材料,會有一定的導電性,但卻是可以被“操控”的。所以由半導體材料做出來的器件,在某些條件下能夠導電,而在另一些條件下不能導電, 具有“讓你導電你就導電,讓你不導電你就不導電”的特點。這樣就可以做出來具有“開關”的電子元件,而在電子設備中通常用1和0這種開關的通斷來表示,再用1和0組成二進制的數字進行運算和存儲,表達各種信息,芯片就是利用這樣的原理做出來的。 
        不過,半導體不僅能用來做芯片,還能用來做“炒酸奶”。
        如何自制炒酸奶
        怎么用半導體做“炒酸奶”?當然不是把半導體材料作為食材,而是作為加工工具。所謂的“炒酸奶”是 用一個能夠制冷的鐵板,把酸奶倒入鍋中,攪和至片狀。這個鍋之所以能制冷,用的就是“ 半導體制冷片”,其中的原理叫作“第二熱電效應”。 
        第二熱電效應也叫“ 珀耳帖效應”,這個效應是說 把兩種不同的導電材料串聯在一起,通電之后,兩個接頭分別出現吸熱和放熱的現象。我們常用的“半導體制冷片”就是把兩種摻雜不同雜質的半導體材料相串聯,通電之后一端放熱,而另一端吸熱制冷,形成“ 熱泵”。 
        可能有人會說,既然這叫“第二熱電效應”,那就肯定有“ 第 一熱電效應”呀。確實,第 一熱電效應又叫“ 塞貝克效應”,它與第二熱電效應的過程正好相反——如果兩種導體或者半導體組成一個回路,兩端接觸點的溫度不同(比如把兩個端頭分別放在冷水和熱水中),就會產生電流,也會有相應的電壓。利用這種現象,就 可以把溫度信號轉化成電信號來測量溫度,所謂“ 溫差發電機”利用的就是這個原理。 
        其實還有“ 第三熱電效應”(也叫“ 湯姆遜效應”),說的是一個導體或半導體,如果兩端有溫差并且有電流通過的話,就會吸熱或者放熱(除了電阻產熱以外)。 
        “炒酸奶”的機器和一些車載冰箱利用的都是“第二熱電效應”。其實你從網上買個半導體制冷片,放在平底鍋或者鐵板下進行改造,沒準就能自制炒酸奶的機器。要是在半導體制冷片上再加一個塑料泡沫箱子,還能自制一個簡易冰箱。不過自制的時候要特別注意用電安全哦。
        如此說來,手機、沙子和炒酸奶的共同之處就在于,都和半導體材料有著“糾纏不清”的關系。
        本文來自《今天,你更博學了嗎》
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