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对于半导体行业来说,元素周期表意味着什么?
奔跑的蜗牛 发布于 06/24 15:49 浏览 66

对于从事半导体行业的人来说,元素周期表可不仅仅是贴在科学教室墙上的一张海报,它更是我们用来创造新的逻辑和存储设备的宝贵资源。1869年,俄国科学家德米特里·门捷列夫(Dmitri Mendeleev)发现了化学元素周期表。150多年来,这张表已经成为“最重要的科学成就之一”,因为它“凝聚了化学、物理学、医学、地球科学和生物学的精华”。

认识化学的基石

17世纪至18世纪,人们在化学领域不断攻城略地,但由于缺乏统一的理论,这一势头在19世纪有所放缓。化学家可以通过各种方式,将物质合成或分解为新的物质,但对其中的基本原理却知之甚少。尽管元素已经被认定为事物最基本的、不可再分的组成部分,但人们知其然而不知其所以然,更无从知晓这样的化学元素究竟会有多少。门捷列夫的天才之处,在于他能从一片混沌中洞悉规律。当他以原子量递增的方式排列已知元素时,发现它们的化学性质呈周期性重复。于是,他开始将这些元素在表格中巧妙排布,以使同一列中的元素具备相似的属性,第一个元素周期表便由此诞生。

在门捷列夫的元素周期表诞生约50年后,1913年,丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)提出了原子模型。根据这一模型,电子只能位于原子核周围特定的轨道或壳体上,而最外层的电子数量(即“价电子”)在很大程度上决定了一种元素的化学性质。结果人们发现,此前由门捷列夫推导出的周期列与根据价电子数得出的周期列完全相同。

准金属:对固态器件——至关重要的元素族群

价电子决定了元素的导电性,元素可据此分为金属、非金属和准金属。金属是最大的元素族群,这类元素通常是电和热的良导体。相反,非金属又被称为绝缘体或电介质,它们则是电和热的不良导体。准金属通常被人们称为半导体,是一个只包含七种元素的最小族群。它们介于金属和非金属之间,通常也具备导电导热性,但在这些性能上不及金属。其中,硅作为制作芯片的基础材料,在准金属中最广为人知。相邻列中的硼、磷和砷等元素则是常见的掺杂剂,也是使半导体得以导电的关键。

应用于半导体行业的元素不断扩展

随着技术的发展,应用于半导体制造的元素种类迅速增加。第一个半导体器件是由锗制成的,但锗很快被硅所取代,集成电路的大批量生产也由此真正开始腾飞。后来,锗又随着硅锗(SiGe)集成电路器件的兴起而再度大放异彩。上世纪90年代,早期用于在集成电路芯片周围传输电信号的铝,被导电性能更佳的铜所取代。几乎与此同时,钨和钽等难熔金属也被引入半导体行业,溴和氢等反应性气体则被用于等离子体刻蚀。21世纪的前十年间,这一领域进展神速,尤其是在过渡金属领域,几乎所有的镧系元素都已被评估完成,同时铪和锶等新型电介质也被引入。

如今,越来越多的元素正在被评估,用于制作新的化合物或投入新应用。超薄氧化镁(MgO)被用作磁性RAM (MRAM)器件的隧道势垒;硫、硒等元素与钨、钼、钛化合形成的过渡金属二硫属化物,是一类新型的二维纳米片,有望取代硅成为未来晶体管的沟道材料。毫无疑问,随着科学家们不断从元素周期表中探索改善制造工艺和设备性能的新方法,未来将有更多的元素被投入使用。

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