半导体材料

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所属分类:科学故事
摘要

我们日常用的铜、铁、铝等,都很容易导电,因而叫做导体;而橡胶、塑料等几乎不导电,因而叫做绝缘体。如果某物质不是导体,那它就一定是绝缘体吗?答案是否定的。在导体和绝缘体之间还存在大量半导体,其导电能力居中,并且随温度升高而增大,随温度下降而减小。半导体分三种:本征半导体、p型半导体和n型半导体。不含杂质的纯净半导体叫本征半导体,它的导电能力很差。为了提高纯质半导体的导电能力,常常在本征半导体中掺入少量杂质。如在硅中掺入硼,硅原子周围就形成可移动的空穴,这就是P型半导体;如果在硅中掺入磷,材料中就会

  我们日常用的铜、铁、铝等,都很容易导电,因而叫做导体;而橡胶、塑料等几乎不导电,因而叫做绝缘体。如果某物质不是导体,那它就一定是绝缘体吗?答案是否定的。在导体和绝缘体之间还存在大量半导体,其导电能力居中,并且随温度升高而增大,随温度下降而减小。

  半导体分三种:本征半导体、p型半导体和n型半导体。

  不含杂质的纯净半导体叫本征半导体,它的导电能力很差。为了提高纯质半导体的导电能力,常常在本征半导体中掺入少量杂质。如在硅中掺入硼,硅原子周围就形成可移动的空穴,这就是P型半导体;如果在硅中掺入磷,材料中就会出现多余电子,这就是n型半导体。它们各有自己的特性,常常联合使用。人们为了获得所需要的半导体,就必须制得纯净的本征半导体。目前,人们所获得硅的纯度已达14个9,即99.999999999999%。这是人类材料史上的一个奇迹。

  半导体材料有许多奇妙用途,在各个领域发挥重要的作用,无论是收音机、电视机,还是大型计算机、工业电气化系统,都离不开半导体材料

  半导体材料是制造电子元件的主要材料,而我们用的收音机、电视机、电子游戏机以及工业用的电子计算机、机器人等,都是由无数的电子元件构成的。半导体材料制成的电子元件不仅功能强、效果好,而且重量轻、寿命长、耗电省。1946年,美国研制出世界上第一台电子计算机,使用了18000个真空电子管,1500个继电器,重量达30吨,占地面积170平方米,真是一个庞然大物。而现在运算速度比它快得多的微型计算机,还没有一张书桌大。

  电子元件的发展已经历了四个时代,1947年美国的布拉坦和同事制成了晶体管,这是第一代。晶体管因性能优于电子管而被广泛使用。1962年,在一小块硅片上制成了几个元件组成一个小型电路,这就是小型集成电路集成电路体积小而功能大,因而迅速发展起来。1965年发展到中规模集成电路,指甲大的一块硅片上可制作上百个元件。1968年出现了大规模集成电路,在5~7平方毫米的硅片上制成了上万个元件。1979年日本在6平方毫米的硅片上制成了15万个元件,这就是超大规模集成电路。目前人们正在研制三维集成电路。前几代集成电路都是平面式的,像一排排的平房。而三维集成电路则像高楼大厦,在一层元件上再重叠一层元件,这样,每个元件与周围元件的联络构成一个空间网络,便于信息的传递和处理。用这种三维集成电路也许可以模拟人脑的思维,如果是这样,那么我们就可以制造出会思考、会自行解决问题的机器人了。

  半导体材料具有良好的光电转换效应,是制造光电电池的好材料。有了廉价高效的光电电池,我们才能充分利用清洁的太阳能。有些半导体材料的温差电动势很大,能直接把热能转换为电能。这种温差发电机适用于缺电的边远地区。在宇宙飞行器、导航设备上也用到它。

  半导体材料还用于制造激光器。激光方向性好,能量集中,在现代各个行业都得到广泛应用。大功率的激光武器为各国所重视。用半导体制成的发光二极管,在光纤通讯方面有重要用途。光纤通讯比微波通讯效果更好,一条光缆可载上亿门电话。人们预计,光计算机将比电子计算机运算速度快几十倍。

  半导体材料经过几十年的发展,已历经三代,最早人们用锗,但锗元件的寿命和效果都不大理想,人们转而重视开发硅,目前硅已成为应用最广泛的半导体材料。为了在高温、高频领域取得进展,人们又看重砷化镓。它是砷在高温下和镓结合生成的化合物,是高频、高温电子元件的理想材料,它必将在巨型计算机、高效机器人、激光、光纤通讯等方面发挥重要作用。 

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