半導(dǎo)體小知識

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)，在光照下會產(chǎn)生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)3，電導(dǎo)與所加電場的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，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個微米，1個微米，或0.5個微米厚等。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、下幾個特點，一是發(fā)光效率比較高，二是電子遷移率高，同時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，它的另一個優(yōu)勢是可以實現(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，因為它的禁帶寬度都在3個電子伏以上，在室溫下不可能將價帶電子激發(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、電視臺，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，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。現(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問題。如果這個問題一旦解決，就可以為我們提供一個非常廣闊的發(fā)現(xiàn)新材料的空間。低維半導(dǎo)體材料實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?？梢灶A(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，也必將改變社會政治格局和戰(zhàn)爭的對抗形式。這也是為什么人們對發(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，在三個維度的方向上都可以自由運動。

7、但當(dāng)材料的特征尺寸在一個維度上比電子的平均自由程相比更小的時候，電子在這個方向上的運動會受到限制，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動，另外兩個方向上受到限制；量子點材料是指在材料三個維度上的尺寸都要比電子的平均自由程小，電子在三個方向上都不能自由運動，能量在三個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、面可以自由運動；如果是量子點材料，它的態(tài)密度函數(shù)就像是單個的分子、原子那樣，完全是孤立的函數(shù)分布，基于這個特點，可制造功能強大的量子器件?，F(xiàn)在的大規(guī)模集成電路的存儲器是靠大量電子的充放電實現(xiàn)的。大量電子的流動需要消耗很多能量導(dǎo)致芯片發(fā)熱，從而限制了集成度，如果采用單個電子或幾個電子做成的存儲器，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，因為激光器的波長隨著溫度變化，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、移動通訊、微波通訊的領(lǐng)域。量子級聯(lián)激光器是一個單極器件，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、紅外對抗和遙控化學(xué)傳感等方面有著重要應(yīng)用前景。它對MBE制備工藝要求很高，整個器件結(jié)構(gòu)幾百到上千層，每層的厚度都要控制在零點幾個納米的精度，我國在此領(lǐng)

10、域做出了國際先進水平的成果；又如多有源區(qū)帶間量子隧穿輸運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)量好的特點我國已有很好的研究基礎(chǔ)；在量子點（線）材料和量子點激光器等研究方面也取得了令國際同行矚目的成績。小結(jié)從整個半導(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）。電子還有一個屬性，電子的自旋，我們尚未用上。如果我們再把電子的自旋用上，就增加了一個自由度，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跟無機的結(jié)合，也可以是生命與有機和無機的結(jié)合，這也為我們提供了一個非常廣闊的