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1. 引言 上世紀中葉,單晶硅和半導體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功,導致了電子工業(yè)革命;上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明,促進了光纖通信技術迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術產(chǎn)業(yè),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>>
1. 引言
上世紀中葉,單晶硅和半導體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功,導致了電子工業(yè)革命;上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明,促進了光纖通信技術迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術產(chǎn)業(yè),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(zhì)工程”發(fā)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(fā)現(xiàn)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(fā)展歷史
1833年,英國科學家電子學之父法拉第最先發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。
1839年法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導體和電解質(zhì)接觸形成的結,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,這是被發(fā)現(xiàn)的半導體的第二個特征。
1873年,英國的史密斯發(fā)現(xiàn)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(zhì)。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(fā)現(xiàn))雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(zhì)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(zhì)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(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(fā)光)或晶格的熱振動能量(發(fā)熱)。在一定溫度下,電子-空穴對的產(chǎn)生和復合同時存在并達到動態(tài)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(chǎn)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(fā)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(chǎn)、生活、醫(yī)療衛(wèi)生、科研教學等應用的70%的領域,有較高的準確度和穩(wěn)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(fā)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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