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电子知识
半导体技术浅谈
发布时间:2016-4-11 0:00:00 浏览次数:159

半导体是与我们的生活息息相关的一种技术产品,从最简单的电灯,到手机,笔记本电脑,大至一个国家的航天事业,无一不是以半导体技术作为基础,可以说,如果没有半导体,我们现在人的生活完全会是另外的样子。可是虽然半导体技术如此重要,真正了解它的人并不多,所以作为选修课的论文,我想在这里简要的谈论一下我对半导体技术的认识,也算是修这门课程的心得吧。 

首先要对半导体有一个明确的定义,这里引用大英百科全书里的定义:any of 

a class of crystalline solids intermediate in electrical conductivity between a conductor and an insulator.直译过来就是:一类晶体,它的导电性介于导体与半导体之间。

这虽然是百科全书的定义,但我觉得说的未免有些宽泛了。关于我的理解,半导体是一类具有特殊电特性的材料,可以用于制作一类特殊的电子元器件,包括二极管,晶体管,集成电路等。下面的部分我准备对半导体的一个基本特性,P-N结做一简要描述。 

自然界不存在天然的半导体,所谓半导体是人类改变大自然的结果,这也足以看到人类的伟大。半导体材料一般按其导电性质的不同,可以分为两种,P型半导体,和N型半导体。如果我们在纯硅中掺加少许的砷或磷,就会多出一个自由电子,这样就形成N型半导体如果我们在纯硅中掺杂少许的硼,就反而少了一个电子,而形成一个空穴,这样就形成P型半导体。 

如果在一个单一的晶体结构中,半导体的材料在某一处突然由p型半导体到n型半导体,这个就叫P-N结。在P区,空穴构成了占优势的载流子所以叫做多数载流子。有一小部分热产生的电子还是会在p区存在。而在n区,电子是多数载流子。在接近pn结的地方,没有带电的载流子,这个区域叫做耗尽层,他的行为就像绝缘体一样。 

关于P-N结的一个最重要的特性就是单向导电性。当给P-N结加正向电压时,大部分的带电载流子通过P-N结,所以有大电流的流过。然而,当一个副向电压加入时,杂质所产生的带电载流子沿着结相反的方向走,只有很小的漏电电流流过,当反向电压增加时,漏电电流保持很小,直到一个关键的电压达到了,在这一点之后,电流会突然增加,这说明结被击穿了。虽然其他类型的结已经被发明出来了,包括P-N-P,N-P-N等,但是P-N结仍被认为是半导体设备的最基本类型。 

半导体从被人类发明以来,使人类社会发生了前所未有的大变革,那么半导体又是如何成长期来的呢? 

早在19世纪,人们就已经开始注意它了,1874年,德国的布劳恩,注意到硫化物的电导率与所加的电压有关,这就是半导体的整流作用。在整流方面,德国的肖特基,在1939年,发表了一篇整流理论的重要论文,在德国物理学学报上,他认为在金属与半导体之间有能障的存在,其主要贡献就在于计算出这个能障的形态和宽度。在半导体领域中,与整流理论同等重要的就是能带理论,布洛赫在这方面做出了巨大贡献。 

二次世界大战之后,美国贝尔实验室决定要进行一个半导体方面的计划,但很多次实验都失败了,直到1947年12月16日,布莱登用一块三角形塑胶,深圳二极管在塑胶脚上贴上金箔,然后用刀片切开一条细缝,形成了两个距离很近的电极,构成了一个点接触电晶体。就这样,第一块人造的半导体诞生了。 

可最初设计出的半导体并不能大规模投入生产。直到1960年,又是贝尔实验室,发展出了磊晶技术,半导体工业获得了批量生产的能力,终于站稳脚步,开始快速成长。 

1952年,英国人杜莫开始提出集成电路的构想。直到,1963年,第一个集成电路商品投入市场,总共十年的时间。可从这以后,集成电路上元件的数量开始每年翻一番,这就是著名的摩尔定律。直到今天,一块超大规模集成电路可以包含上千万个元件! 

然而,我国半导体的发展还有很长的一段路要走。专家分析我国半导体技术发展的总体水平还处于幼年期,产业链不配套、不完善,如制造与设计、封装测试产业发展水平不平衡,规模相互不平衡等矛盾突出;技术水准低,设计业规模小、产值小,封装测试还是低水平;研发能力差,缺乏自主知识产权等等。贴片二极管这些问题的解决需要我们这一代年轻人中的有识之士来努力奋斗。 

现在关于半导体的两个比较有前景的产品是半导体灯和太阳能技术。这里简要描述一下半导体灯,即LED灯。 

如今,全球环保意识高涨,LED灯照明已经成为许多国家的主要发展政策之一。目前美国订出的发展计划,LED照明将于2012年全面取代白炽灯具,而欧盟更于2009年起限制100瓦白炽灯具的贩售,最迟也将于2012年全面禁用白炽灯具。 

那么,LED灯为什么具有如此大的魅力呢?它是一种固态的半导体器件,可以直接把电转化为光,LED的心脏是一个半导体的晶片,它在同样的亮度下,耗电仅为普通白炽灯的1/10,而寿命却可延长50倍。此外LED作为室内照明灯具的光源,还具备省能环保、耐震动、体积小、不易衰减、适合低温环境及发光效率高等多项优点。 

然而,如果半导体灯要完全代替白炽灯和节能灯,肖特基二极管必须要达到LED灯泡光通量达1000Lm,LED的成本必须要下降到每千流明1美金才有可能全面普及。这其实是考虑到生产成本问题,其次,散热问题却是影响高功率LED迈入普及化的瓶颈。 

那么半导体行业未来发展趋势怎样呢?专业人士分析,为满足高压直流输电、高压无功补偿、高压电机控制等领域快速增长的需求,大功率半导体器件正向大电流、高电压方向发展,快恢复二极管现代大功率半导体技术还呈现出集成化、高频化、智能化、数字化的趋势。 

结论:半导体技术从诞生到现在的60来年,已经有了长足的发展,它不但使无数的科学家沉浸在半导体科学的魅力当中,更是为社会做出了巨大的贡献,

我们相信,半导体科学技术永远会有着无穷的生命力!

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