生活中，我們覺得很多東西越大越好，比如房子。

也有很多東西，我們覺得小一些更好，比如手機。

現在的手機屏幕通常會做得比較大，但是厚度、重量比二三十年前的“大哥大”要小太多了。我們現在可以“拿着”手機出門，但大哥大給人的感覺好像要“扛着”它出門。“大哥大”功能很單一，基本上隻能打電話；當然了，以它那個塊頭，要用來防身也行。如果當時真要把“大哥大”做得像現在手機，有這麼多功能，那就得做得更大，估計得“背着”出門了——不知道的還以為背的是鋼琴。

最早的計算機也是個龐然大物，有好幾層樓那麼高，運算的時候需要好多人在裡面來回跑來跑去地接線——真是工作健身兩不誤。現在能把電子産品做得這麼小、實現“微型化”，這裡面的科學叫作“微電子學”。那麼是怎麼實現微型化的呢？其實就是把原來的一大堆東西，變成了一個小小的芯片。

變形記

對于電腦來說，“芯片”确實像人的“心髒”一樣重要，但從功能上看，它其實更像人的大腦。芯片的作用主要有兩方面：一方面是運算處理，能像學理科一樣算出來很多東西；另一方面是數據存儲，能像學文科那樣背下來很多東西。芯片真可以說是“文理雙全”的“最強大腦”。

制造芯片所用的是一種半導體材料，叫作“矽”。它的來源特别廣，最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，而是一套非常複雜的設計和加工過程。

沙子的主要成分是二氧化矽，制造芯片需要把沙子熔化，通過化學反應将其變成矽單質，做成單晶矽的“柱子”，然後像切黃瓜一樣把柱子切成矽片。“芯片”就是以這個矽片為基底，通過蒸發、濺射、化學氣相澱積等一系列方法在矽片的表面生成出一層薄膜，然後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複生成薄膜，進行圖形化的過程。

芯片圖案裡面的連線非常細，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币，但可以一次做很多矽片，每張矽片又可以做成很多個小芯片，平均下來一個芯片可能隻要幾塊錢、幾十塊錢。為什麼要做小？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。

什麼是半導體

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，是因為裡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，而原子最外層的電子特别活潑，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後的半導體材料，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

怎麼用半導體做“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闆，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，通電之後，兩個接頭分别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，通電之後一端放熱，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。确實，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（比如把兩個端頭分别放在冷水和熱水中），就會産生電流，也會有相應的電壓。利用這種現象，就可以把溫度信号轉化成電信号來測量溫度，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（除了電阻産熱以外）。

“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，放在平底鍋或者鐵闆下進行改造，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别注意用電安全哦。

如此說來，手機、沙子和炒酸奶的共同之處就在于，都和半導體材料有着“糾纏不清”的關系。

作者：張宇識

編輯：吳青

排版：雷穎

題圖來源：圖蟲創意

來源：我是科學家iScientist

編輯：米老貓

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