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信息技术的基石——半导体材料

来源:https://www.xiutupi.com 发布时间:2021-10-12热度:

蒸汽机的出现,将人类从农业文明带入了工业文明。在我们享受工业文明给我们生活带来的无穷便利之时,历史的车轮又将我们带人了一个变化迅速、绚丽多彩的信息时代。
信息时代最根本的标志是信息技术。
现代的人们在不断感受着广播电视的普及与提高,自动化技术的日新月异,电子计算机的更新换代,通信事业的迅猛发展……所有这些都是信息时代的典型特征。
可是大家知道支撑整个信息技术不断向前发展的基石是什么吗?

那就是半导体材料:那么,什么是半导体材料呢?
    
我们通常把导电性和导热性差的材料,如琥珀、陶瓷、橡胶、塑料等称为绝缘体。而把导电、导热性能都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。
介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。区别于金属和绝缘体,半导体材料具有4个最基本的特性,结合半导体的发现历程可以说明这些独特的性质。
    
半导体的发现实际上可以追溯到很久以前。
1833年,英国巴拉迪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,金属的电阻随温度的升高而增加,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。

不久,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,这就是后来人们所熟知的光生伏特效应,这是被发现的半导体的第二个特征。
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,即它的导电存在方向性,这就是半导体的第三种特性,即整流效应,也是半导体所特有的性质。
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性质。

半导体材料为什么具有这些特性呢?
我们知道固体材料导电要有自由电子,材料中的束缚电子必须从低能带跃迁至高能带才能成为自由电子,高、低两个能带之间的能量差称为能隙。
对绝缘材料来说,由于此能隙太大,外部注入的能量无法将束缚电子变成自由电子,故而不能导电;
金属材料则相反,其能隙太小或者没有能隙,通常情况下金属中存在大量自由电子,故而为导体;
而半导体材料的能带介于金属和绝缘体之间,在外部条件合适的情况下,提供的能量就能将材料内部的电子变成自由电子。

半导体中产生一个自由电子的同时产生一个带正电的空位(被称为空穴),空穴也会移动的,所以半导体材料中存在两种导电粒子:电子和空穴。
半导体中的导电方式有三种:电子导电、空穴导电和两者同时导电。
主要依赖电子导电的称为N型半导体,主要依赖空穴导电的称为P型半导体,两者共同导电的称为本征半导体。
由N型和P型半导体形成的界面称为PN结,大部分半导体器件是由不同的刚结组成的。

最早得到应用的半导体材料是硒晶体。
1923年,科学家用硒制造出了第一只半导体整流器,它可以把交流电转变为直流电。
三年以后出现了氧化亚铜整流器。
但是真正作为现代半导体材料起点的当推锗单晶。
1947年,科学家发明了第一只锗晶体管。
1950年,科学家用提拉法生长出第一块高完整性的锗单晶。
值得一提的是,现在科学和技术上应用的几乎所有的半导体的概念和名词都来自对半导体锗的研究。

随后,各种半导体材料提纯技术、单晶生长技术、薄膜技术及器件制造技术如雨后春笋般地迅速发展起来了。
由半导体材料制备的各种器件及其应用使整个世界发生了天翻地覆的变化。
半导体材料是集成电路、半导体激光器、发光管、光探测器和敏感器件的基础。
这些器件是信息技术中最核心的部件,因此,将半导体材料称为信息技术的基石当之无愧。
它不仅改变了人们的生活方式,甚至在不断影响着人们的思维方式。


信息技术的基石——半导体材料第1张图

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