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半导体

简介   

半导体,半导体材料

1. 引言 上世纪中叶,单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功,导致了电子工业革命;上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明,促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业,使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功,彻底改变了光电器件的设计思想,使 半导体 器件的设计...查看详情>>

半导体

简介   

半导体,半导体材料

1. 引言

上世纪中叶,单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功,导致了电子工业革命;上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明,促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业,使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功,彻底改变了光电器件的设计思想,使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。

2. 半导体定义

我们通常把导电性差的材料,如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体(insulator)。

把导电性比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体(conductor)。

常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料称为半导体(semiconductor)。

与导体和绝缘体相比,半导体材料的发现是最晚的,直到20世纪30年代,当材料的提纯技术改进以后,半导体的存在才真正被学术界认可。

3. 发展历史

1833年,英国科学家电子学之父法拉第最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属,一般情况下,金属的电阻随温度升高而增加,但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。

1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结,在光照下会产生一个电压,这就是后来人们熟知的光生伏特效应,这是被发现的半导体的第二个特征。

1873年,英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应,这是半导体又一个特有的性质。半导体的这四个效应,(jianxia霍尔效应的余绩──四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了,但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。

在1874年,德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关,即它的导电有方向性,在它两端加一个正向电压,它是导通的;如果把电压极性反过来,它就不导电,这就是半导体的整流效应,也是半导体所特有的第三种特性。同年,舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。

很多人会疑问,为什么半导体被认可需要这么多年呢?主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料,很多与材料相关的问题就难以说清楚。

4. 半导体分类

按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。

锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物(砷化镓、磷化镓等)、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物(硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体(镓铝砷、镓砷磷等)。

按照其制造技术,半导体的分类可分为:集成电路器件,分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类,一般来说这些还会被分成小类。

5. 半导体的特点

半导体五大特性∶掺杂性,热敏性,光敏性,负电阻率温度特性,整流特性。

在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素,导电性能具有可控性。在光照和热辐射条件下,其导电性有明显的变化。

6. 半导体工作原理

本征半导体:不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下,半导体的价带是满带,受到热激发后,价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带,空带中存在电子后成为导带,价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位,称为空穴。

空穴导电并不是实际运动,而是一种等效。电子导电时等电量的空穴会沿其反方向运动。它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流,分别称为电子导电和空穴导电。

这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴,电子-空穴对消失,称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射(发光)或晶格的热振动能量(发热)。在一定温度下,电子-空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡,此时半导体具有一定的载流子密度,从而具有一定的电阻率。温度升高时,将产生更多的电子-空穴对,载流子密度增加,电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大,实际应用不多。


7. 半导体的应用

1)最早的实用半导体是电晶体(Transistor)/二极体(Diode)。在无线电收音机(Radio)及电视机(Television)半导体中,作为讯号放大器/整流器用。

2)发展太阳能(Solar Power),也用在光电池(Solar Cell)中。

3)半导体可以用来测量温度,测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域,有较高的准确度和稳定性,分辨率可达0.1℃,甚至达到0.01℃也不是不可能,线性度0.2%,测温范围-100~+300℃,是性价比极高的一种测温元件。

4)半导体致冷器的发展,它也叫热电致冷器或温差致冷器,它采用了帕尔贴效应.



收起百科↑ 最近更新:2017年11月24日

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