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半導體

簡介   

半導體,半導體材料

1. 引言 上世紀中葉,單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功,導致了電子工業革命;上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明,促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術產業,使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功,徹底改變了光電器件的設計思想,使 半導體 器件的設計...查看詳情>>

半導體

簡介   

半導體,半導體材料

1. 引言

上世紀中葉,單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功,導致了電子工業革命;上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明,促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術產業,使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功,徹底改變了光電器件的設計思想,使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發展到“能帶工程”。

2. 半導體定義

我們通常把導電性差的材料,如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體(insulator)。

把導電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體(conductor)。

常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料稱為半導體(semiconductor)。

與導體和絕緣體相比,半導體材料的發現是最晚的,直到20世紀30年代,當材料的提純技術改進以后,半導體的存在才真正被學術界認可。

3. 發展歷史

1833年,英國科學家電子學之父法拉第最先發現硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬,一般情況下,金屬的電阻隨溫度升高而增加,但巴拉迪發現硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導體現象的首次發現。

1839年法國的貝克萊爾發現半導體和電解質接觸形成的結,在光照下會產生一個電壓,這就是后來人們熟知的光生伏特效應,這是被發現的半導體的第二個特征。

1873年,英國的史密斯發現硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應,這是半導體又一個特有的性質。半導體的這四個效應,(jianxia霍爾效應的余績──四個伴生效應的發現)雖在1880年以前就先后被發現了,但半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。

在1874年,德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關,即它的導電有方向性,在它兩端加一個正向電壓,它是導通的;如果把電壓極性反過來,它就不導電,這就是半導體的整流效應,也是半導體所特有的第三種特性。同年,舒斯特又發現了銅與氧化銅的整流效應。

很多人會疑問,為什么半導體被認可需要這么多年呢?主要原因是當時的材料不純。沒有好的材料,很多與材料相關的問題就難以說清楚。

4. 半導體分類

按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。

鍺和硅是最常用的元素半導體;化合物半導體包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物(砷化鎵、磷化鎵等)、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物(硫化鎘、硫化鋅等)、氧化物(錳、鉻、鐵、銅的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體(鎵鋁砷、鎵砷磷等)。

按照其制造技術,半導體的分類可分為:集成電路器件,分立器件、光電半導體、邏輯IC、模擬IC、儲存器等大類,一般來說這些還會被分成小類。

5. 半導體的特點

半導體五大特性∶摻雜性,熱敏性,光敏性,負電阻率溫度特性,整流特性。

在形成晶體結構的半導體中,人為地摻入特定的雜質元素,導電性能具有可控性。在光照和熱輻射條件下,其導電性有明顯的變化。

6. 半導體工作原理

本征半導體:不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本征半導體。在極低溫度下,半導體的價帶是滿帶,受到熱激發后,價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶,空帶中存在電子后成為導帶,價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位,稱為空穴。

空穴導電并不是實際運動,而是一種等效。電子導電時等電量的空穴會沿其反方向運動。它們在外電場作用下產生定向運動而形成宏觀電流,分別稱為電子導電和空穴導電。

這種由于電子-空穴對的產生而形成的混合型導電稱為本征導電。導帶中的電子會落入空穴,電子-空穴對消失,稱為復合。復合時釋放出的能量變成電磁輻射(發光)或晶格的熱振動能量(發熱)。在一定溫度下,電子-空穴對的產生和復合同時存在并達到動態平衡,此時半導體具有一定的載流子密度,從而具有一定的電阻率。溫度升高時,將產生更多的電子-空穴對,載流子密度增加,電阻率減小。無晶格缺陷的純凈半導體的電阻率較大,實際應用不多。


7. 半導體的應用

1)最早的實用半導體是電晶體(Transistor)/二極體(Diode)。在無線電收音機(Radio)及電視機(Television)半導體中,作為訊號放大器/整流器用。

2)發展太陽能(Solar Power),也用在光電池(Solar Cell)中。

3)半導體可以用來測量溫度,測溫范圍可以達到生產、生活、醫療衛生、科研教學等應用的70%的領域,有較高的準確度和穩定性,分辨率可達0.1℃,甚至達到0.01℃也不是不可能,線性度0.2%,測溫范圍-100~+300℃,是性價比極高的一種測溫元件。

4)半導體致冷器的發展,它也叫熱電致冷器或溫差致冷器,它采用了帕爾貼效應.



收起百科↑ 最近更新:2017年11月24日

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