半導(dǎo)體小知識(shí)

1、半導(dǎo)體的特性1，電阻是隨著溫度的上升而降低2，半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)3，電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)4，光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)隨著硅的直徑增大，雜質(zhì)氧等雜質(zhì)在硅錠和硅片中的分布也變得不均勻，這將嚴(yán)重的影響集成電路的成品率，特別是高集成度電路。為避免氧的沉淀帶來的問

2、題，可采用外延的辦法解決。何為外延？即用硅單晶片為襯底，然后在其上通過氣相反應(yīng)方法再生長一層硅，如2個(gè)微米，1個(gè)微米，或0.5個(gè)微米厚等。這一層外延硅中的氧含量就可以控制到1016cm3以下，器件和電路就做在外延硅上，而不是原來的硅單晶上，這樣就可解決由氧導(dǎo)致的問題。盡管成本將有所提高，但集成電路的集成度和運(yùn)算速度都得到了顯著提高，這是目前硅技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。GaAs和InP單晶材料化合物半導(dǎo)體材料，以砷化鎵（GaAs）為例，有以

3、下幾個(gè)特點(diǎn)，一是發(fā)光效率比較高，二是電子遷移率高，同時(shí)可在較高溫度和在其它惡劣的環(huán)境下工作，特別適合于制作超高速、超高頻、低噪音的電路，它的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)光電集成，即把微電子和光電子結(jié)合起來，光電集成可大大的提高電路的功能和運(yùn)算的速度。寬帶隙半導(dǎo)體材料氮化鎵、碳化硅和氧化鋅等都是寬帶隙半導(dǎo)體材料，因?yàn)樗慕麕挾榷荚?個(gè)電子伏以上，在室溫下不可能將價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶。器件的工作溫度可以很高，比如說碳化硅可以工作到600攝氏度；金剛

4、石如果做成半導(dǎo)體，溫度可以更高，器件可用在石油鉆探頭上收集相關(guān)需要的信息。它們還在航空、航天等惡劣環(huán)境中有重要應(yīng)用?，F(xiàn)在的廣播電臺(tái)、電視臺(tái)，唯一的大功率發(fā)射管還是電子管，沒有被半導(dǎo)體器件代替。這種電子管的壽命只有兩三千小時(shí)，體積大，且非常耗電；如果用碳化硅的高功率發(fā)射器件，體積至少可以減少幾十到上百倍，壽命也會(huì)大大增加，所以高溫寬帶隙半導(dǎo)體材料是非常重要的新型半導(dǎo)體材料?，F(xiàn)在的問題是這種材料非常難生長，硅上長硅，砷化鎵上長GaAs，它可

5、以長得很好。但是這種材料大多都沒有塊體材料，只得用其它材料做襯底去長。比如說氮化鎵在藍(lán)寶石襯底上生長，藍(lán)寶石跟氮化鎵的熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)相差很大，長出來的外延層的缺陷很多，這是最大的問題和難關(guān)。另外這種材料的加工、刻蝕也都比較困難。目前科學(xué)家正在著手解決這個(gè)問題。如果這個(gè)問題一旦解決，就可以為我們提供一個(gè)非常廣闊的發(fā)現(xiàn)新材料的空間。低維半導(dǎo)體材料實(shí)際上這里說的低維半導(dǎo)體材料就是納米材料，之所以不愿意使用這個(gè)詞，主要是不想與現(xiàn)在熱炒的所

6、謂的納米襯衣、納米啤酒瓶、納米洗衣機(jī)等混為一談！從本質(zhì)上看，發(fā)展納米科學(xué)技術(shù)的重要目的之一，就是人們能在原子、分子或者納米的尺度水平上來控制和制造功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的納米電子、光電子器件和電路，納米生物傳感器件等，以造福人類。可以預(yù)料，納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用不僅將徹底改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)和生活方式，也必將改變社會(huì)政治格局和戰(zhàn)爭(zhēng)的對(duì)抗形式。這也是為什么人們對(duì)發(fā)展納米半導(dǎo)體技術(shù)非常重視的原因。電子在塊體材料里，在三個(gè)維度的方向上都可以自由運(yùn)動(dòng)。

7、但當(dāng)材料的特征尺寸在一個(gè)維度上比電子的平均自由程相比更小的時(shí)候，電子在這個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到限制，電子的能量不再是連續(xù)的，而是量子化的，我們稱這種材料為超晶格、量子阱材料。量子線材料就是電子只能沿著量子線方向自由運(yùn)動(dòng)，另外兩個(gè)方向上受到限制；量子點(diǎn)材料是指在材料三個(gè)維度上的尺寸都要比電子的平均自由程小，電子在三個(gè)方向上都不能自由運(yùn)動(dòng)，能量在三個(gè)方向上都是量子化的。由于上述的原因，電子的態(tài)密度函數(shù)也發(fā)生了變化，塊體材料是拋物線，電子在這上

8、面可以自由運(yùn)動(dòng)；如果是量子點(diǎn)材料，它的態(tài)密度函數(shù)就像是單個(gè)的分子、原子那樣，完全是孤立的函數(shù)分布，基于這個(gè)特點(diǎn)，可制造功能強(qiáng)大的量子器件。現(xiàn)在的大規(guī)模集成電路的存儲(chǔ)器是靠大量電子的充放電實(shí)現(xiàn)的。大量電子的流動(dòng)需要消耗很多能量導(dǎo)致芯片發(fā)熱，從而限制了集成度，如果采用單個(gè)電子或幾個(gè)電子做成的存儲(chǔ)器，不但集成度可以提高，而且功耗問題也可以解決。目前的激光器效率不高，因?yàn)榧す馄鞯牟ㄩL隨著溫度變化，一般來說隨著溫度增高波長要紅移，所以現(xiàn)在光纖通信

9、用的激光器都要控制溫度。如果能用量子點(diǎn)激光器代替現(xiàn)有的量子阱激光器，這些問題就可迎刃而解了。基于GaAs和InP基的超晶格、量子阱材料已經(jīng)發(fā)展得很成熟，廣泛地應(yīng)用于光通信、移動(dòng)通訊、微波通訊的領(lǐng)域。量子級(jí)聯(lián)激光器是一個(gè)單極器件，是近十多年才發(fā)展起來的一種新型中、遠(yuǎn)紅外光源，在自由空間通信、紅外對(duì)抗和遙控化學(xué)傳感等方面有著重要應(yīng)用前景。它對(duì)MBE制備工藝要求很高，整個(gè)器件結(jié)構(gòu)幾百到上千層，每層的厚度都要控制在零點(diǎn)幾個(gè)納米的精度，我國在此領(lǐng)

10、域做出了國際先進(jìn)水平的成果；又如多有源區(qū)帶間量子隧穿輸運(yùn)和光耦合量子阱激光器，它具有量子效率高、功率大和光束質(zhì)量好的特點(diǎn)我國已有很好的研究基礎(chǔ)；在量子點(diǎn)（線）材料和量子點(diǎn)激光器等研究方面也取得了令國際同行矚目的成績(jī)。小結(jié)從整個(gè)半導(dǎo)體材料和信息技術(shù)發(fā)展來看，目前的信息載體主要是電子，即電子的電荷（電流）。電子還有一個(gè)屬性，電子的自旋，我們尚未用上。如果我們?cè)侔央娮拥淖孕蒙?，就增加了一個(gè)自由度，這也是人們目前研究的方向之一。我們從電子材料

11、硅、鍺發(fā)展到光電子材料GaAs和InP，GaN等，就是電子跟光子可以結(jié)合一起使用的材料，光電子材料比電子材料的功能更強(qiáng)大；再下一代的材料很可能是光子材料。我們現(xiàn)在只用了光子的振幅，而光的偏振和光的位相應(yīng)用還未開發(fā)出來，所以這給我們研究者留下了非常廣闊的天地。從材料的發(fā)展來看，從塊體材料向薄層、超薄層，低維（納米）結(jié)構(gòu)材料和功能芯片材料方向發(fā)展；功能芯片可能是有機(jī)跟無機(jī)的結(jié)合，也可以是生命與有機(jī)和無機(jī)的結(jié)合，這也為我們提供了一個(gè)非常廣闊的