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半导体纳米科技的发展与应用

半导体纳米科技的发展与应用
半导体纳米科技的发展与应用

1 引言

诺贝尔奖获得者Feyneman在六十年代曾经预言:如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性能产生丰富的变化。他所说的材料就是现在的纳米材料。而半导体纳米材料就是对半导体材料用纳米技术改造后的材料。

纳米半导体材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细半导体材料。它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒,一般为0.1~100nm。它包括体积分数近似相等的两个部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构,后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。

1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米半导体细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒径为6nm的Si粒子原位加压成形,烧结得到半导体纳米微晶块体,从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议,正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元层次来说,它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中,界面原子占极大比例,而且原子排列互不相同,界面周围的晶格结构互不相关,从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态,纳米半导体材料则是纳米材料中的一个极其重要的分支,经过纳米技术改造的半导体材料有着不同寻常的特殊性质。

在纳米半导体材料中,纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序,通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级,高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。半导体纳米相材料跟普通的金属、陶瓷,和其他固体材料都是由同样的原子组成,只不过这些原子排列成了纳米级的原子团,成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规半导体纳米材料中的基本颗粒直径不到100nm,包含的原子不到几万个。一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子,直径几乎是英文里面一个句点的百万分之一,这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。但就是这些“极小”的粒子,通过纳米技术的改造,却有着各种奇异的性质。比如1975年,

英国W.G.斯皮尔在辉光放电分解硅烷法制备的非晶硅薄膜中掺杂成功,使非晶硅薄膜的电阻率变化10个数量级,促进非晶态半导体器件的开发和应用。非晶硅太阳能电池吸收系数大,转换效率高,面积大,已应用到计算器、电子表等商品中。非晶硅薄膜场效应管阵列可用作大面积液晶平面显示屏的寻址开关。利用某些硫系非晶态半导体材料的结构转变来记录和存储光电信息的器件已应用于计算机或控制系统中。利用非晶态薄膜的电荷存储和光电导特性可制成用于静态图像光电转换的静电复印机感光体和用于动态图像光电转换的电视摄像管的靶面,根据纳米半导体特殊性质而有针对性的应用的例子真是不胜枚举。

2半导体纳米科技的发展

2.1半导体纳米科技的发展现状

纳米科学技术是(Naso-ST)是20世纪80年代末期诞生并正在崛起的新科技,它的基本含义是在纳米尺寸(10-10~10-7m)范围内认知和改造自然,通过直接操作和安排原子、分子创造物质。半导体纳米科技是指把纳米技术应用到半导体材料上面,并通过物理法,化学法,综合法这三种制备方法制造出的有特定的声、光、电、磁、热性能应用到生产生活等实践方面的特殊材料。当半导体材料的尺度缩小到纳米范围时,其物理、化学性质将发生显著变化,并呈现出由高表面积或量子效应引起的独特性能。目前,半导体纳米材料与器件的研究仍处于探索、开发阶段,但它们在多个领域的应用,如新型高效太阳能电池、纳米级电子器件、纳米发光器件、激光技术、波导、化学及生物传感器、化学催化剂等已呈现出诱人的前景,纳米技术的进一步发展必将使得半导体工业实现历史性突破。

2.2半导体纳米科技的发展历史

纳米科学技术是上世纪80年代末期诞生的新科学技术,他被公认为是21世纪的三大科学技术之一。经过20多年的发展,现今半导体器件在发展,其组件的特征尺寸在不断减小,小到纳米尺寸将引起质变。晶体管的基础是p-n结,当固体器件的尺寸达到纳米时,一个简单的p-n结两侧在n型和p型区域中都出现了反型层,即耗尽区,通常这个区的尺寸接近微米量级。因为要保持晶态结构,掺杂浓度受到限制,势垒宽度不能无限地小下去,整个p-n结的尺寸将不小于微米

级。如果晶体管的尺寸小到仅剩反型区,就将失去p-n结的特性,因此也就失去了微电子器件的基础,这就意味着达到了微电子器件的极限。集成度不断提高的发展趋势,将电子器件逼进了纳米电子器件的领域。从微电子器件到纳米电子器件是电子器件发展的第二次变革,与从真空管到晶体管的第一次变革相比,它含有更深刻的理论意义和丰富的科技内容。因为第一次变革对两类器件基础理论是一样的;而第二次变革,对于纳电子器件传统理论不再适用,需要发展新理论以及探索相应的材料和技术,因此纳米半导体器件的出现,给科技发展带来了机遇。其中纳米半导体的制备技术经历了三个阶段:

第一阶段:单一材料和单相材料。即纳米晶或纳米相(Nanocrystalline or Nanophase)

第二阶段:纳米复合材料。通常采用纳米微粒与纳米微粒的复合(0-0复合)、纳米微粒同常规块体之间的复合(0-3复合)及复合纳米薄膜(0-2复合)。

第三阶段:纳米组装体系(Nanostructured assembling system)、纳米尺度的图案材料(Patterning materials on the nanometer scale)。他的基本内涵是纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维及三维空间之中组装排列成具有纳米结构的体系(如下图)。其中

包括纳米阵列体系、介空组装体系、薄

膜镶嵌体系。纳米颗粒、丝、管可以有

序的排列而不同于第一、第二阶段中带

有一定程度的随机性质。

2.3半导体纳米科技的发展现状与趋势

当前半导体纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术等方面。用纳米半导体材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米技术还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料,以满足特定的需要。

在纳米半导体制备方面,追求获得量大、尺寸可控、表面清洁,制备方法趋

于多样化,种类和品种繁多;在性质和微结构研究上着重探索普适规律;研究纳米尺寸复合,发展新型纳米半导体复合材料是该领域的热点;纳米半导体材料的光催化及光电转换研究表现出诱人的前景。经营纳米半导体研究刚刚起步,但它的一系列奇特性能使它成为纳米材料学的一个前沿领域,相信一定会有更新的突破。

纳米半导体器件的提出和发展有着社会发展强烈需求的背景,首先是微电子产业。按莫尔(Moore)定律,以Si材料为主的微电子器件的集成度越来越高,人们预测2012年硅FET的栅长可达到35nm或许更小,这可能是一个临界尺寸。这时不仅需要遇到高电场下硅和二氧化硅的雪崩击穿、高集成度时的热耗散问题、体性质消失和参杂不均匀带来的问题、电子遂穿出现薄氧化层的不平坦以及互联延迟难以克服等困难,而且随着集成度提高,价格迅速下降的规律也将不再成立,开发小于100nm工艺技术所耗资金,恐怕也难以承受。因而,基于纳米半导体材料的固态量子器件的研究受到了重视,而且在光电子器件、量子干涉器件、通信技术、集成电路技术等方面取得了较大的进展。

2.4半体体纳米技术目前存在的问题

2.4.1苛刻的工作条件

纳米半导体器件(ID和OD)工作的必要条件是电子的平均自由程要大于或者等于器件的特征尺寸,按照目前的工艺水平,只能实现约0.1nm线宽制作,器件则要求工作在液氮温度(4.2K);若希望能在77K工作,器件尺寸(对GaAs,InP 基Ⅲ—Ⅴ族材料)要在50nm以下,且载流子的有效质量m*还要小;因而发展纳米级空间分辨、快速和无损的加工工艺和相应的装置是实现纳米制造首先要解决的难题之一。

2.4.2苛刻的材料要求

由于对材料的苛刻要求,GaAs,InP等Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体材料及其显微结构,虽有很高的电子迁移率和较小的有效质量,但它的完整性、纯度、特别是高的表面态密度和缺乏良好的介质隔离材料等,因而不是制作纳米电子器件及其集

成的理想材料。硅单晶具有高完整性和高纯及天然SiO

2介质膜的优势,但是SiO

2

是非晶,它的无序分布和杂志对纳米器件,特别是量子计算带来致命影响;硅基

半导体材料有可能兼备硅和低界面态的优点,但是也需要解决介质隔离问题。

利用应变自组装技术制备量子点(线)的最大问题是如何提高量子点形状、

尺寸和分布的均匀性以及量子点的密度和体密度。虽然可在一定程度上改善量子

点的均匀性、密度和有序性,但尚未获得理想的结果。

2.4.3纳米Si基量子异质结加工

要继续把现有的硅基电子器件缩小到纳米尺寸度,最直截了当的方法是采用

外延、光刻等技术制造新一代的类似层状蛋糕的纳米半导体结构。其中,不同层

通常是由不同势能的半导体材料制成的,构建成纳米尺度的量子势阱,这种结构

称作“半导体异质结”。但目前在纳米尺度上制造出性能稳定、可靠的半导体异质结是很困难的,因此,必须尽快发展高性能的纳米Si基量子异质结加工技术。

2.4.4分子晶体管和导线组装纳米器件

即使知道如何制造分子晶体管和分子导线,但把这些元件组装成一个可以运

转的逻辑结构仍是一个非常棘手的难题。一种可能的途径是利用扫描隧道显微镜

把分子元件排列在一个平面上;另一种组装较大电子器件的可能途径是通过阵列

的自组装。尽管Purdue University 等研究机构在这个方向取得了一定进展,但该技术何时能走出实验室进入实用,仍无法断言。

2.4.5超高密度量子效应存储器

超高密度量子效应存储量子效应的电子“芯片”是未来纳米计算机的主要部件,它可以为具备快速存取能力但没有可动机械部件的计算机系统提供海量存储

手段。但是有了制造纳米电子逻辑器件的能力后,如何用这种器件组装成超高密

度存储的量子效应存储其阵列或芯片同样给纳米半导体学的研究者提出新的挑战。

2.4.6纳米计算机的“互连”问题

一台有数万亿的纳米电子元件以前所未有的密集度组装成纳米计算机必须需

要巧妙的结构及合理的整体布局,而整体结构问题中最需要解决的便是“互连”

问题,即计算机中的输入输出问题。纳米计算机要吧海量信息存储在一个很小的空间内,并极快地使用和产生信息,需要有特殊的结构来控制和协调计算机的诸多元件,而各元件之间需要避免过热和串线,这就造成了几何学设计上的难度。

2.4.7 SPM纳米器件加工技术效率

SPM技术为纳米半导体器件的加工提供了新的途径。纳米半导体器件最终要变得经济实用,则要求纳米结构能被迅速大量的组装出来。然而,目前的SPM纳米器件加工技术效率极低,因此,需要大量高效的并行显微“纳米操纵器”才能完成纳米半导体器件的机械化组装。

2.4.8纳米半导体器件的制备、操纵、设计、性能分析模拟环境

当前子力学、量子力学、多尺度计算、计算机并行技术、计算机图形学已取得快速发展,利用这些技术建立一个能够完成纳米半导体器件制备、操纵、设计、性能分析模拟环境,并使纳米技术研究人员获得虚拟的体验已成为可能。但是由于现有计算机的速度、分子力学、量子力学算法的效率问题,使得在当前情况下建立这样迅速、精细、敏感的量子模拟虚拟环境还存在巨大困难。

3、纳米半导体的制备技术

3.1 物理制备方法

早期的物理制备方法是将较粗的物质粉碎,如低温粉碎法、超声波粉碎法、冲击波粉碎法、蒸气快速冷却法、蒸气快速油面法、分子束外延法等等。近年来发展了一些新的物理方法,如旋转涂层法将聚苯乙烯微球涂敷到基片上,由于转速不同,可以得到不同的空隙度。然后用物理气相沉积法在其表面上沉积一层银膜,经过热处理,即可得到银纳米颗粒的阵列。中科院物理所开发了对玻璃态合金进行压力下纳米晶化的方法。例如:ZrTiCuBeC玻璃态合金在6GPa和623K的条件下进行晶化 ,可以制备出颗粒尺寸小于 5nm的纳米晶。

3.2 化学制备方法

3.2.1 固相法

固相法包括固相物质热分解法和物理粉碎法。固相物质热分解法是利用金属化合物的热分解来制备超微粒,但其粉末易固结,还需再次粉碎,成本较高。物理粉碎是通过机械粉碎、电火花爆炸等法制得纳米粒子。其原理是利用介质和物料间相互研磨和冲击,以达到微粒的超细化,但很难使粒径小于 100纳米。机械合金法 (MA)是1970年美国INCO公司Benjamin为制作镍的氧化物粒子弥散强化合金而研制成功的一种新工艺。该法工艺简单,制备效率高,并能制备出常规法难以获得的高熔点金属或合金纳米材料,成本较低但易引进杂质,降低纯度,颗粒分布也不均匀。近年来,助磨剂物理粉碎法和超声波粉碎法的采用,可制得粒径小于 100纳米的微粒。但仍然存在上述不足,故固相法还有待继续深入研究。

3.2.2 气相法

气相法在纳米微粒制造技术中占有重要地位,利用此法可以制造出纯度高、颗粒分布性好、粒径分布窄而细的纳米超微粒。尤其是通过控制气氛,可制备出液相法难以制备的金属碳化物、硼化物等非氧化物的纳米超微粒 .该法主要包括:

(1) 真空蒸发—冷凝法:在高纯惰性气氛下 (Ar、He) ,对蒸发物质进行真空加热蒸发,蒸气在气体介质中冷凝形成超细微粒。在 1987年,Biegles等采用此法又成功制备了纳米级TiO

2

陶瓷材料。

(2) 高压气体雾化法:该法是利用高压气体雾化器将-20℃~ 40℃的氢气和氩气以 3倍于音速的速度射入熔融材料的液体内,熔体被破碎成极细颗粒的射流然后急剧骤冷得到超微粒。采用此法可得到粒度分布窄的纳米材料。

(3)高频感应加热法:以高频感应线圈作热源 ,使坩埚内的物质在低压

(1~10kPa)的He、N

2

等惰性气体中蒸发 ,蒸发后的金属原子与惰性气体原子相碰撞 ,冷却凝聚成颗粒。该法的优点是产品纯度高 ,粒度分布窄 ,保存性好 ,但成本较高 ,难以蒸发高沸点的金属 .

此外 ,还有溅射法、气体还原法、化学气相沉淀法和粒子气相沉淀法。作为

特殊方法,用爆炸法可制备纳米金刚石,用低压燃烧法制备SiO

2、Al

2

O

3

等多

种纳米材料。

3.2.3 液相法

80年代以来,随着对材料性能与结构关系的深入研究,出现了液相法实现纳米“超结构过程”的基本途径。这是依据化学手段,在不需要复杂仪器的前提下,通过简单的溶液过程就可对性能进行“剪裁”。液相法主要有以下几种:(1)沉淀法:该法包括直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法。直接沉淀法是仅用沉淀操作从溶液中制备氧化物纳米微粒的方法。均匀沉淀法通过控制生成沉淀的速度,减少晶粒凝聚,可制得高纯度的纳米材料。共沉淀法是把沉淀剂加入混合后的金属溶液中,然后加热分解获得超微粒。

(2)溶胶—凝胶法:溶胶—凝胶法可制备传统制备方法不能制得的产物,尤其对制备非晶态材料显得尤为重要,溶胶—凝胶法包括金属醇盐和非醇盐两种方法。

(3)水解反应法:依据水热反应的类型不同,可分为水热氧化、还原、合成、分解和结晶等几种。其原理是在水热条件下加速粒子反应和促进水解反应。

(4)胶体化学法:采用粒子交换法、化学絮凝法、胶溶法制得透明性金属氧化物的水凝胶,以阴粒子表面活性剂 [如DBS]进行憎水处理,然后用有机溶剂冲洗制得有机胶体,经脱水和减压蒸馏,在低于表面活性剂的热分解温度的条件下,制得无定性球状纳米材料。

(5)溶液蒸发和热分解法:该法包括喷雾干燥、燃烧等方法,它用于盐溶液快速蒸发、升华、冷凝和脱水过程,避免了分凝作用,能制得均匀盐类粉末。若将一定配比的金属盐溶液用粒子喷雾器在干燥室内与不同浓度的气流接触,快速蒸发分解该盐溶液,即可得到纳米微粒。

3.3 物理化学方法

3.3.1 热等离子体法

该法是用等离子体将金属等粉末熔融、蒸发和冷凝以制成纳米微粒,是制备高纯、均匀,粒径小的氧化物、氮化物、碳化物系列,金属系列和金属合金系列纳米微粒的最有效方法;同时为高沸点金属的各种系列纳米微粒以及含有挥发性

组分合金的制备开辟了前景。新开发出的电弧法混合等离子体法弥补了传统等离子体法存在的等离子枪寿命短、功率小、热效率低等缺点。

3.3.2 激光加热蒸气法

以激光为快速加热热源,使气相反应物分子内部很快地吸收和传递能量,在瞬间完成气体反应的成核、长大和终止。该法可迅速生成表面洁净、粒径小于50纳米,粒度均匀可控的纳米微粒。

3.3.3 电解法

它包括水溶液和熔盐电解两种方法。用此法可制得高纯金属超微粒,尤其是电负性大的金属粉末。

3.3.4 辐射合成法

用辐射合成法制备纳米材料具有明显的特点:一般采用γ射线辐照较大浓度的金属盐溶液。制备工艺简单,可在常温常压下操作,制备周期短,产物粒度易控制,一般可得10纳米左右的粉末,产率较高,不仅可制备纯金属粉末,还可制备氧化物、硫化物纳米粒子及纳米复合材料。通过控制条件可制备非晶粉末 .所以纳米材料的辐射法制备近年来得到了很大的发展。

纳米微粒的制备除上述方法外,还有一些其他新方法,如模板合成法,利用纳米多孔材料的纳米孔或纳米管道为模板,可获得粒径可控,易掺杂和反应易控制的纳米粒子;自组装法,用此法可制造中空的纳米球或纳米管。

4、半导体纳米的特性及应用

4.1 光学特性

纳米粒子的一个重要标志是尺寸和物理特征量相当。当粒子的直径与超导想干波长、激子的玻尔半径和电子的德布罗意波长相当时,小粒子的量子尺寸效应十分显著。与此同时,大的比表面积使处于态的原子、电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行为有很大区别,这种表面效应和量子尺寸效应对纳米粒子的光学效应有很大影响,甚至使纳米粒子具有同质块体材料不具备的新的光学特性,

主要表现如下:

(1)蓝移和红移现象

对于纳米粒子的吸收光谱篮移的原因归纳起来有两种解释,一种解释是量子尺寸效应。通常当半导体纳米粒子尺寸与其激子玻尔半径相近时,随着半导体粒子尺寸的减小,半导体粒子的有效带隙增加,使相应的吸收光谱和光致发光谱发生篮移,从而在能带中形成以系列分立能级。另一种解释是表面效应,由于纳米粒子小,大的表面张力使晶格畸变晶格常数变小。键长的变短导致纳米粒子的键本征震动频率增大使红外光吸收谱移向了高波数。

具有相同自旋量子数的两个费米粒子放在同一空间位置上,则系统要在能量上分裂,这就是交换互相作用的体现。劈裂后能量低的态对于跃迁禁戒态,载流子直接激发到这个态是不允许的,但这个态拥有较慢的速率(即有了较长的寿命)跃迁到基态,于是发射峰相当于接受峰,发生了红移。

综观纳米半导体的特有发光现象,对纳米材料发光现象的解释主要基于电子跃迁的选择定则、量子限域效应、缺陷能级和杂质能级等方面。

(2)宽频带强吸收

由于纳米粒子大的比表面积导致了平均配位数下降,不饱和键与悬挂键增多,存在着一个较宽的键震动膜分布,在红外光外场作用下,键震动膜对红外吸收的频率也存在一个较高的分布,这就导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。

(3)单个量子点的光学性质

单个空的量子点吸收单个光子,其吸收谱对光的极化不敏感,但产生(或湮灭)载流子的自旋是有吸收(或发射)的光的极化决定的。

3.2 光电转换特性

纳米点是一种三维受限团簇,具有量子尺寸限制、量子遂穿、库伦堵塞等效应,在这方面应用的典型代表是纳米点太阳能电池。而纳米点太阳电池光电转换效率的提高又主要归因与一下原因:

(1)量子尺寸限制效应,通过改变纳米点的尺寸,调控纳米点的带隙能量,改变光吸收波长,采用多层不同尺寸的纳米点构成的薄膜可以吸收更宽波长范围的太阳光。

(2)纳米点的多激子激发,即在纳米点中吸收一个高能量的光子激发产生多个电子。纳米点的多激发使太阳光中短波长的光电子充分的产生多个电子,减少电子散射和释放声子而损失的能量。

(3)多能带的形成,在超晶格结构中,纳米点间的结合在导带(和价电子带)中形成小的分立能带。利用小能带间的光子吸收等复杂过程,可以改善太阳电池与太阳光谱的匹配程度。

(4)中间能带的引入,在太阳能电池中插入纳米点阵列可以在太阳电池的带隙中引入中间能带,导致低能量太阳光被吸收而产生电子孔穴,减小太阳光的透过损失。

4.3 电学特性

电导特性、介电特性和压电特性是半导体材料的基本特性,这些特性与常规半导体材料有着很大的不同。

(1)电导特性

纳米半导体的电导是量子化的,量子电阻是常数(R

=h/e2),不再是经典

k

物理所描述的那样等于电压对于电流的比例。

(2)介电特性

纳米半导体材料的介电常数随频率的减小呈现明显增大的趋势,而相应的常规块体半导体的介电常数较低,在低频范围内增大趋势远低于纳米半导体。在低频范围内,纳米半导体的介电常数呈现尺寸效应,即粒径很小时其介电常数较低,随着粒径增大介电常数先增加后降低,在某一临界尺寸呈现极大值。如在纳半导体介电常数温度谱上存在一个峰,而在其相应的介电常数损耗谱也呈

米TiO

2

现一损耗峰。前者是由离子转向极化造成,后者是离子弛豫极化造成的。

(3)压电特性

对于某些纳米半导体而言,其界面存在大量的悬挂键,导致界面电荷分布

发生变化,形成局部点偶极距。若外加压力使偶极距取向分布等发生变化,在宏观上产生电荷积累,从而产生强的压电效应,而相应的粗半导体晶体直径可达微米数量级,其界面急剧减小(小与0.01%),从而压电效应消失。

4.4化学特性

由于纳米半导体材料的比表面积很大,界面原子数很多,界面区域原子扩散系数大,表面原子配位不饱和性质导致大量的悬挂键和不饱和键等,使纳米半

粒子在可见光照射下对碳氢化合导体材料具有较高的化学活性。例如:纳米TiO

2

物有显著的催化作用,在环保领域是一种有前途的光催化剂。

4.5纳米半导体的应用——纳米半导体器件

纳米半导体器件的提出和发展有着社会发展强烈的需求背景,首先来自于微电子产业。按莫尔定律,以Si材料为主的电子器件的集成度越来越高,器件的特征尺寸要求越来越小,当最小尺寸为10nm时,达到了微电子器件的物理极限,莫尔定律不再成立。这是因为达到这个尺寸的纳米半导体器件,其工作原理、材料和工艺技术都不同于微电子器件。纳米半导体器件主要分为两大类:一类为纳电子器件,纳电子器件被称为第三代电子器件:另一类为纳光电子器件。纳米半导体器件又可按载流子在纳米结构中受限程度分为三类:一维受限的超晶格、量子阱器件,例如,量子阱激光器、量子阱红外探测器、共振隧穿二极管和共振隧穿晶体管等;二维受限的量子线器件如纳米场效应晶体管;三维受限的量子点器件如量子点激光器和单光子光源等,还有基于库伦堵塞效应的单电子器件如单电子晶体管和单电子存储器等。

纳米半导体器件使光电信息传输、存储、处理、运算和显示等方面的性能大大提高,将构成超高密度集成,是未来个人计算机。高性能计算机和自动器的基础,将是信息社会职能工具的主要组件。发展纳米半导体器件有两条路,一条是自上而下的发展,即将以Si、Ge、GaAs和GaN等为主的无机半导体器件的尺寸小下去;另外一条路径是自下而上的发展,即将基于无机半导体的原子、分子、有机高分子和生物写材料组装的功能器件大起来;两者的交叠构成21世纪初期新型电子器件和光电子器件。

20世纪90年代中期以后,以纳电子器件和纳光电子器件为背景的纳米结构设计和合成成为纳米半导体科学领域新的研究热点。自组织与分子自组织技术、模版合成技术、介孔内沿生长、平板印刷等方面的突破,制备了元素半导体、化合物半导体以及异质结构等多种纳米阵列结构和纳米图案结构,发现了许多奇异的物理特性,通过调整纳米结构单元的尺寸和相互作用参数,实现了人工对物理性质的控制,取得了一系列的重大成果。已经研制成功各种纳米半导体器件,如纳米整流二极管、场效应晶体管、高电子迁移率晶体管、异质结构双极晶体管、单电子隧道晶体管、单电子存储单元“与”/“与非”逻辑电路、发光二极管、激光器、红外探测器、太阳能电池等,利用纳米线、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器也已经问世。

尽管纳米半导体光学特性的研究已经取得了不少进展,对其光学特性的应用也取得了一定的成绩,但还有许多问题需要继续深入系统的研究,例如,纳米半导体不同于块体把电热毯的吸收、拉曼散射、发光等特性产生的理论根源,纳米半导体的非线性强度如何在受限条件下随粒子尺寸变化,如何通过表面修饰来获得所具有一定光学特性的纳米半导体等。另外,所研究的纳米半导体的范围也不广泛,纳米半导体的应用研究才刚刚开始。纳米半导体光学特性研究的主要方向为:通过纳米半导体各种谱学方面的研究,探讨和揭示纳米半导体材料结构上的特点,例如,不连续能带结构、杂志能级等,建立模型,从理论上探讨其光学特性产生的根源;树立“功能”意识,利用诸如表面修饰手段,通过人工合成,以获得具有特殊性能和功能的纳米复合半导体。

4.6纳米半导体在光电子方面的应用

硅纳米结构的尺寸小到一定范围时,会出现量子限域效应、尺寸效应及表面效应等许多新的效应,从而使它呈现出诸多新颖性质,其中一个典型的例子就是由量子效应引起的硅纳米结构的高效发光。通过这个性质,科学家们开发出了高灵敏生物和化学传感器、高效率太阳能电池及发光二级管等器件。

4.6.1光能转换为化学能

光解水产生氢气在CdS—ZnS体系中,不论是核—壳结构的CdS/ZnS还是

Zn

x Cd

1-x

S固溶体,加入空穴俘获剂,连续光解,氢的产率远高于纯CdS粒子单独

存在时的产率。

4.6.2光敏电阻

光敏电阻又称光导管,是一种均质型半导体光电器件,由一块两边带有金属电极的光电半导体组成。当光照射在光电导体上时,若这个光电导体为本征半导体材料,而且辐射的能量又足够强,光导材料价带上的电子将被激发到导带上去,从而使导带的电子和价带的空穴增加,导致光导体的电阻率变大。为了实现能级间的跃迁,入射光的能量必须大于光导材料的禁带宽度。

当光导体为非本征半导体,即有杂志能级存在时,光敏电阻在工作时还将有电流的增益。以n型半导体材料为例,当光照射在n型光电导体上时,它将产生电子—空穴对,在外电场的作用下,电子和空穴将分别向正极和负极飘移。但是向负极飘移的空穴往往在途中被陷阱俘获。当电子达到正极而进入外电路时,光电导体内仍然存在被电子俘获的空穴,因此光电导体带正电。这部分空间电荷又将负电极的电子感应到材料中来,被感应进来的电子在电场的作用下飘移到正极,如此周而复始。这样的电子—空穴对电子流一直延续到陷阱中的空穴被电子复合掉为止,这种电荷的倍增效应相当于放大了初始光生电流。其中,硫化镉、硒化镉以及在红外波段使用的硫化铅、硒化铅等材料应用的最为广泛。

4.6.3光能转化为电能

光电池是直接把光能转化为电能的光电器件,而应用到半导体纳米技术的主要为p-n结型光电转化电池。比如硅太阳能电池就是在p型半导体表面扩散一层n型杂志,形成p-n结,利用光生伏特效应来进行光电转换。下面简要介绍下硅太阳能电池。

硅太阳能电池用扩散的方法在硅片上制作大面积p-n结,再做出上下电极的引线,即构成一个太阳能电池。为了能更多的利用太阳光辐射,正面电极常做成梳状结构。背面是与硅片呈欧姆接触的电极。

硅单晶型太阳能电池开路电压为0.55V,短路电流为35~40mA/cm2转换效率一般在10%左右,高的可达13.5~20%。

而多晶硅薄膜型太阳能电池是最近得到广泛研究的一种廉价太阳能电池。它的转化效率只有7%左右,但是它使用的多晶硅材料价格便宜,且用简单的真空涂镀法制作,特别是它不受晶体大小的限制,可做成大面积光电池,因而成为很有发展前景的一种太阳能电池。其他的的半导体材料电池还有硒、硫化镉等材料,纳米半导体技术在光电转换方面的应用颇为广泛。

4.6.4半导体激光器

半导体激光器是激光器的一种,是一种注入式电致发光器件,它除了具备一般激光的相干性好、方向性强、发射角小、能量高度集中等特点外,还有如下独特之处:

(1)半导体激光器体积小,重量轻,结构简单,抗震性强。但也有方向性差的缺点。

(2)在p-n结激光器中,让电流通过通过二极管本身就可产生激光作用。激励电源的能量直接使电子进入导带,因而激光器的效率高,并且很容易通过调制电流来调制电流的发射。

(3)在半导体激光器中,因跃迁与材料的能带性质有关,所以其特性也受到能带结构及掺杂的强烈影响。

半导体激光器激励的方法很多。除结型注入式激光器用电流注入激励外,还有电子束激励、光激励及雪崩击穿等。目前,以结型注入激光器的应用最为广泛。

4.6.5纳米半导体材料在光电子领域的其他应用

(1)光吸收材料:由于量子尺寸效应而产生的光吸收带篮移,可用于紫外

屏蔽、紫外光过滤等。如TiO

2等,还有用于军事上的红外涂层如Al

2

O

3

等。

(2)光反射材料:特别是红外反射,如SiO

2和TiO

2

合成的纳米复合涂层具

有强冷光反射功能。

(3)发光材料:如多孔硅发光,量子点激光器和量子点阵列激光器等。

(4)发光二极管:按材料分有锗、硅或砷化镓;按结构分有点接触、pn结、pin、肖特基势垒、异质结;按原理分有隧道、变容、雪崩和阶跃恢复等。主要用于检波、混频、参量放大、开关、稳压、整流等。光通信发展后,出现发光、光

电、雪崩光电、pin光电、半导体激光等二极管。

4.7 纳米半导体在微电子学方面的应用

纳米电子学是在0.1~100nm的纳米结构(量子点)内探测、识别与控制单个量子或量子波的运动规律,研究单个原子、分子人工组装和自组装技术,研究在量子点内,单个量子或量子波表现出来的特征和功能用于信息的产生、传递和交换的器件、电路和系统及其在信息科学技术、纳米生物学、纳米测量学、纳米显微学、纳米机械学等应用的学科,纳米半导体在其中扮演了不可替代的角色。由于半导体纳米技术在微电子学方面的应用实在太过广泛,学科之间相互交叉,难以尽说,所以本文只能做出粗略的介绍。

4.7.1纳米半导体晶体管

利用高迁移率调制掺杂二维电子气结构的半导体材料制备的单电子晶体管的有着性能稳定的特点。目前这方面的单电子晶体管的量子点结构都是通过大面积表面栅的负偏压耗尽来实现的。图4.7.1(1)是一种新型的波导型单电子晶体管,是由一维波导及线条栅等组成的单电子晶体管,其工作温度高、性能稳定、适于集成。在衬底和缓冲层及台面之间是二维电子气层,利用二维电子气层通过合金形成欧姆接触作为源极和漏极,利用“挖槽”技术在源极和漏极之间形成一维波导,一维波导通过槽与其他台面部分隔离,在一维波导上沉积形成两条势垒线条栅及两条边线条栅,在势垒线条栅上加负偏压,耗尽这两条势垒线条栅下的电子,从而在它们之间的波导中形成量子点。它的量子点由一维波导和加在线条势垒栅的负偏压形成,这两势垒线条栅下的波导区就为单电子晶体管的两隧穿结,边栅上的偏压可改变量子点中的电子数。其电子被限制在一维波导中运动,因而这种单电子晶体管更易显示位相相干等量子效应。这种单电子晶体管结构中,表面栅面积的减少也降低了垒区杂质存在的几率,提高了器件工作的稳定性。

图 4.7.1(1)半导体波导型晶体管结构、势能分布示意图

4.7.2纳米半导体二极管

用纳米半导体技术制作的二极管有着特殊的性能:

(1)温度温度性优于常规半导体二极管,在高达250o C下,J—V特性仍不会变坏;

为nA量级(10-10~10-8);

(2)反向漏电流I

r

≤1.0ns;

(3)反向开关时间t

r

≥60V,为硬击穿;

(4)反向击穿电压V

b

具体参数性能见图4.7.1(2)

纳米硅异质结构二极管伏安(室温) n+/p型纳米硅二极管伏安特性(低温)

二极管反向特性(200o C)n+/p型纳米硅二极管伏安特性(高温)

图4.7.1(2)纳米半导体二极管的性能参数

观察到硅纳米二极管的参数后,我们不难得出结论:在pn结构面积一定的情况下,硅纳米二极管的结电容要比常规二极管大许多倍。这是由于纳米硅薄膜是由大量的纳米级大小的细微晶粒组成,每一个晶粒都具有表面,这些表面效应对pn结构电容也起作用。另外纳米硅二极管的开关时间也极小,已经是纳米量级;而且由于纳米硅薄膜本身的热稳定性,纳米硅二极管的使用温度没有太大限制。通过性能观测,我们不难看出纳米半导体二极管的整体性能要高于常规二极管太多。

现代信息产业、微电子产业的核心是大规模集成电路,而集成电路的核心则是晶体管和二极管等,可以说半导体纳米技术对于现代工业的发展起到了举足轻重的作用。

5、两种重要的纳米半导体的特性及应用

5.1 Si纳米结构

5.1.1 Si纳米结构的发展现状

从提高硅集成电路成品率,降低成本看,增大直拉硅(CZ-Si)单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ-Si发展的总趋势。目前直径为8英寸(200mm)的Si单晶已实现大规模工业生产,基于直径为12英寸(300mm)硅片的集成电路技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm,0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产,300mm,0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功,直径27英寸

硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅的集成度来看,研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外,SOI(绝缘衬底上的硅)材料,包括智能剥离(Smart cut)和SIMOX材料等也发展很快。目前,直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功,更大尺寸的片材也在开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题,更重要的是将受硅、SiO

2

自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘

材料(如用Si

3N

4

等来替代SiO

2

),低K介电互连材料,用Cu代替Al引线以及采

用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能,但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此,人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外,还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料,特别是二维超晶格、量子阱,一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等,这也是目前半导体材料研发的重点。

近年来,以硅量子点和硅纳米线为代表的硅纳米结构及相关技术的研究受到了广泛重视,并成为当今半导体纳米科技最活跃的研究领域之一。这一领域研究受到广泛重视的原因主要在于:

(1)现代信息技术的基础是基于硅基器件的微电子技术,因此,硅基材料和器件技术的发展在某种程度上决定着现代微电子技术和信息技术发展的未来,具有重要的战略意义。

(2)正如目前的单晶硅片,硅纳米结构被认为是未来构成纳/微电子器件的基本单元。随着硅基互补金属氧化物半导体(CMOS)电路的尺寸逐渐变小,降低到10 nm或更小时,将面临诸如器件加工极限、加工费用的成倍增加以及器件工作原理发生变化等一系列严峻挑战,这将成为未来硅基微电子等工业发展的瓶颈。而硅纳米技术为突破以上瓶颈提供了低成本、高效率的解决方案。

(3)硅纳米结构的尺寸小到一定范围时,将会出现量子限域效应、尺寸效应及表面效应等许多新的效应,从而使它呈现出诸多新颖性质,其中一个典型的例子就是由量子效应引起的硅纳米结构的高效发光。最近的研究表明硅纳米结构具有高效的可见发光,且发光波长可以通过对硅纳米结构尺寸改变进行调节。最近,

科学家已经利用硅纳米结构所呈现的这些新颖性质和效应,开发出了高灵敏生物和化学传感器、高效率太阳能电池及发光二极管等器件。因此,该类纳米材料展现出了广阔的应用前景,在下文会有简要的介绍。

5.1.2 Si的纳米结构

硅纳米结构由于自身特有的荧光、紫外等光学特性;场发射、电子输运等电学特性;热传导、高表面活性和量子限制效应等特性引起了科技界的广泛关注,在纳米器件方面具有很大的潜在应用价值。掺杂是实现硅纳米线应用的一个有效方法,通过掺杂元素可以改善硅纳米线的性能,制造出实用的纳米器件。磷、硼作为掺杂源时,可以控制硅纳米线中的载流子类型(电子或空穴)及其浓度;可以采用自组装工艺制备出硅纳米线场效应晶体管(FET)纳米电子器件;也可以复合p型和n型硅纳

米线建立p-n结来制备半导体器件。硅纳米线在作为检测NH

3、O

2

、Ca2 +和DNA的纳

米传感器、FET、单电子探测和存储元件、双方向电子泵和场发射显示器件等各种纳米器件及制备其他纳米材料的模板等方面已取得了一定成果。

5.1.3 Si纳米线传感器

硅纳米线的表面积大、表面活性高,对温度、光、湿气等环境因素的敏感度高,外界环境的改变会迅速引起表面或界面离子价态电子输运的变化,利用其电阻的显著变化可制成纳米传感器,并具有响应速度快、灵敏度高、选择性好等特点,可实现硅纳米线在化学、生物传感中的应用。近两年来,硅纳米线在检测细胞、葡萄糖、过氧化氢、牛类血清蛋白和DNA 杂交方面取得了很大进展。

利用硅纳米线制成的微米级针状结构传感器可以用于生物化学检测,由于这种细胞检测用传感器尺寸小、灵敏度高,所以通过显示ph值或者酶的活性而在检测单个细胞方面很有应用潜力。下图图a为微米级针状结构硅纳米线传感器的结构示意图,由衬底、支持悬臂和针状尖端结构组成,在此传感器的头部存在几字型的硅纳米线,以便于增加小范围内的检测长度和提高传感器的灵敏度。

功率半导体器件在我国的发展现状

功率半导体器件在我国的发展现状 MOSFET是由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。它的导通跟阻断都由电压控制,电流可以双向流过,其优点是开关速度很高,通常在几十纳秒到几百纳秒,开关损耗小,适用于各类开关电源。但它也有缺点,那就是在高压环境下压降很高,随着电压的上升,电阻变大,传导损耗很高。 随着电子电力领域的发展,IGBT出现了。它是由BJT和MOS组成的复合式半导体,兼具二者的优点,都是通过电压驱动进行导通的。IGBT克服了MOS的缺点,拥有高输入阻抗和低导通压降的特点。因此,其广泛应用于开关电源、电车、交流电机等领域。 如今,各个行业的发展几乎电子化,对功率半导体器件的需求越来越大,不过现在功率半导体器件主要由欧美国家和地区提供。我国又是全球需求量最大的国家,自给率仅有10%,严重依赖进口。功率半导体器件的生产制造要求特别严格,需要具备完整的晶圆厂、芯片制造厂、封装厂等产业链环节。国内企业的技术跟资金条件暂时还无法满足。 从市场格局来看,全球功率半导体市场中,海外龙头企业占据主导地位。我国功率半导体器件的生产制造还需要付出很大的努力。制造功率半导体器件有着严格的要求,每一道工序都需要精心控制。最后的成品仍需要经过专业仪器的测试才能上市。这也是为半导体器件生产厂家降低生产成本,提高经济效益的体现。没有经过测试的半导体器件一旦哪方面不及格,则需要重新返工制造,将会增加了企业的生产成本。

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纳米光电子技术的发展及应用

纳米光电子技术的发展及应用 摘要:纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术,研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,它是现代科学和现代技术结合的产物,由纳米技术而产生一些先进交叉学科技术,本文主要讲述的纳米光电子技术就是纳米技术与光电技术的结合的一个实例,随着纳米技术的不断成熟和光电子技术的不断发展,两者的结合而产生的纳米光电子器件也在不断的发展,其应用也在不断扩大。 关键词:纳米技术纳米光电子技术纳米光电子器件应用 一、前言 纳米材料与技术是20世纪80年代末才逐步发展起来的前沿性,交叉性的学科领域,为21世纪三大高新科技之一。而如今,纳米技术给各行各业带来了崭新的活力甚至变革性的发展,该性能的纳米产品也已经走进我们的日常生活,成为公众视线中的焦点。[2 纳米技术的概念由已故美国著名物理学家理查德。费因曼提出,而不同领域对纳米技术的看法大相径庭,就目前发展现状而言大体分为三种:第一种,是美国科学家德雷克斯勒博士提出的分子纳米技术。而根据这一概念,可以制造出任何种类的分子结构;第二种概念把纳

米技术定位为微加工技术的极限,也就是通过纳米技术精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术;第三种概念是从生物角度出发而提出的,而在生物细胞和生物膜内就存在纳米级的结构 二、纳米技术及其发展史 1993年,第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开,将纳米技术划分为6大分支:纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学,促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性,神奇性和广泛性,吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造,测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括:纳米级测量技术:纳米级表层物理力学性能的检测技术:纳米级加工技术;纳米粒子的制备技术;纳米材料;纳米生物学技术;纳米组装技术等。其中纳米技术主要为以下四个方面 1、纳米材料:当物质到纳米尺度以后,大约是在0.1—100纳米这个范围空间,物质的性能就会发生突变,出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子,也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料,即为纳米材料。 2、纳米动力学:主要是微机械和微电机,或总称为微型电动机械系统(MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统,特种电子设备、医疗和诊断仪器等. 3、纳米生物学和纳米药物学:如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子,在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分

国际半导体技术发展路线图

国际半导体技术发展路线图 为了回答如何保持半导体产业按照摩尔定律继续发展的问题,国际上主要的半导体协会共同组织制定了国际半导体技术发展路线图 ITRS《International technology roadmap for semiconductors》它为半导体产业界提供了被工业界广泛认同的;对未来十年内研发需求的最佳预测以及可能的解决方案,它对整个半导体茶叶需要开发什么样的技术起到了一个导向作用。 国际半导体技术发展路线图 一、半导体产业生态环境 半导体产业诞生于上世纪70年代,当时主要受两大因素驱动:一是为计算机行业提供更符合成本效益的存储器;二是为满足企业开发具备特定功能的新产品而快速生产的专用集成电路。 到了80年代,系统规范牢牢地掌握在系统集成商手中。存储器件每3年更新一次半导体技术,并随即被逻辑器件制造商采用。 在90年代,逻辑器件集成电路制造商加速引进新技术,以每2年一代的速度更新,紧跟在内存厂商之后。技术进步和产品性能增强之间不寻常的强相关性,使得相当一部分系统性能和利润的控制权转至集成

电路(IC)制造商中。他们利用这种力量的新平衡,使整个半导体行业收入在此期间年均增速达到17%。 21世纪的前十年,半导体行业全新的生态环境已经形成: 一是每2年更新一代的半导体技术,导致集成电路和数以百万计的晶体管得以高效率、低成本地生产,从而在一个芯片上或同一封装中,可以以较低的成本整合极为复杂的系统。此外,封装技术的进步使得我们可以在同一封装中放置多个芯片。这类器件被定义为系统级芯片(system on chip,SOC)和系统级封装(system in package, SIP)。 二是集成电路晶圆代工商能够重新以非常有吸引力的成本提供“新一代专用集成电路”,这催生出一个非常有利可图的行业——集成电路设计。 三是集成电路高端设备的进步带动了相邻技术领域的发展,大大降低了平板显示器、微机电系统传感器、无线电设备和无源器件等设备的成本。在此条件下,系统集成商再次控制了系统设计和产品集成。 四是互联网应用和移动智能终端的崛起,带动了光纤电缆的广泛部署和多种无线技术的发展,实现前所未有的全球移动互联。这个生态系统创造了“物联网”这一新兴的市场,而创新的产品制造商、电信公司、数据和信息分销商以及内容提供商正在争夺该市场的主导权。

半导体材料的发展现状与趋势

半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功,导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期,石英光纤材料和光学纤维的研制成功,以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明,使光纤通信成为可能,目前光纤已四通八达。我们知道,每一束光纤,可以传输成千上万甚至上百万路电话,这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴,使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代,并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。 一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势 1.硅单晶材料 硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路,其中有90%到95%都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展,还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的,它用石墨作为加热器。所以,来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染,使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染,随着硅单晶直径的增大,长度的加长,它的分布也变得不均匀;这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀,会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧,在器件和电路的制作过程中,它要发生沉淀,沉淀时的体积要增大,会导致缺陷产生,这将直接影响器件和电路的性能。因此,为了克服这个困难,满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高,人们不得不采用硅外延片,就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样,可以有效地避免氧和碳等杂质的污染,同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法,还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结,这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产,8英寸的硅外延片,也正在从实验室走向工业生产;更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外,还有一些大功率器件,一些抗辐照的器件和电路等,也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的,它在生长时,不与石英容器接触,材料的纯度可以很高;利用这种材料,采用中子掺杂的办法,制成N或P型材料,用于大功率器件及电路的研制,特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面,它有着很好的应用前景。当然还有以硅材料为基础的SOI材料,也就是半导体/氧化物/绝缘体之意,这种材料在空间得到了广泛的应用。总之,从提高集成电路的成品率,降低成本来看的话,增大硅单晶的直径,仍然是一个大趋势;因为,只有材料的直径增大,电路的成本才会下降。我们知道硅技术有个摩尔定律,每隔18个月它的集成度就翻一番,它的价格就掉一半,价格下降是同硅的直径的增大密切相关的。在一个大圆片上跟一个小圆片上,工艺加工条件相同,但出的芯片数量则不同;所以说,增大硅的直径,仍然是硅单晶材料发展的一个大趋势。那我们从提高硅的

常用半导体器件

第4章常用半导体器件 本章要求了解PN结及其单向导电性,熟悉半导体二极管的伏安特性及其主要参数。理解稳压二极管的稳压特性。了解发光二极管、光电二极管、变容二极管。掌握半导体三极管的伏安特性及其主要参数。了解绝缘栅场效应晶体管的伏安特性及其主要参数。 本章内容目前使用得最广泛的是半导体器件——半导体二极管、稳压管、半导体三极管、绝缘栅场效应管等。本章介绍常用半导体器件的结构、工作原理、伏安特性、主要参数及简单应用。 本章学时6学时 4.1 PN结和半导体二极管 本节学时2学时 本节重点1、PN结的单向导电性; 2、半导体二极管的伏安特性; 3、半导体二极管的应用。 教学方法结合理论与实验,讲解PN结的单向导电性和半导体二极管的伏安特性,通过例题让学生掌握二半导体极管的应用。 4.1.1 PN结的单向导电性 1. N型半导体和P型半导体 在纯净的四价半导体晶体材料(主要是硅和锗)中掺入微量三价(例如硼)或五价(例如磷)元素,半导体的导电能力就会大大增强。掺入五价元素的半导体中的多数载流子是自由电子,称为电子半导体或N型半导体。而掺入三价元素的半导体中的多数载流子是空穴,称为空穴半导体或P型半导体。在掺杂半导体中多数载流子(称多子)数目由掺杂浓度确定,而少数载流子(称少子)数目与温度有关,并且温度升高时,少数载流子数目会增加。 2.PN结的单向导电性 当PN结加正向电压时,P端电位高于N端,PN结变窄,而当PN结加反向电压时,N端电位高于P端,PN结变宽,视为截止(不导通)。 4.1.2 半导体二极管 1.结构 半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由P区引出的电极称为阳极,N区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性,二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。 2. 二极管的种类 按材料来分,最常用的有硅管和锗管两种;按用途来分,有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种;按结构来分,有点接触型,面接触型和硅平面型几种,点接触型二极管(一般为锗管)其特点是结面积小,因此结电容小,允许通过的电流也小,适用高频电路的检波或小电流的整流,也可用作数字电路里的开关元件;面接触型二极管(一般为硅管)其特点是结面积大,结电容大,允许通过的电流较大,适用于低频整流;硅平面型二极管,结面积大的可用于大功率整流,结面积小的,适用于脉冲数字电路作开关管。

纳米技术的应用与前景

纳米技术的应用与前景 纳米技术作为一种高新科技,我认为其本质不亚于当年的电子与半导体科技,有着我们未所发掘到潜能与实用价值,在这个世代,各种技术的发展迅速,随着纳米技术的进一步发展,可以作为一种催化剂,促使各行各业的迅猛发展。 纳米技术是近年来出现的一门高新技术。“纳米”主要是指在纳米(一种长度计量单位,等于1/1000,000,000米)尺度附近的物质,其表现出来的特殊性能用于不同领域而称之为“纳米技术”,其具体定义见词条“纳米科技”。 纳米技术目前已成功用于许多领域,包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲,包括如下领域: 1、纳米技术在新材料中的应用 2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用 3、纳米技术在制造业中的应用 4、纳米技术在生物、医药学中的应用 5、纳米技术在化学、环境监测中的应用 6、纳米技术在能源、交通等领域的应用 尽管从理论到实践是一个相当困难的过程,但纳米技术已经证明,可以利用扫描隧道电子显微镜等工具移动原子个体,使它们形成在自然界中永远不可能存在的排列方式,如IBM 公司的标志图案、比例为百亿分之一的世界地图、或一把琴弦只有50纳米粗的亚显微吉他。纳米材料的应用有着诱人的技术潜力,它的应用范围包括从制造工业、航天工业到医学领域等。美国全国科学基金会曾发表声明说:“当我们进入21世纪时,纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大的影响,至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样。”科学家们预计,纳米技术在新世纪中的应用前景广阔,已经涵盖了材料、测量、机械、电子、光学、化学、生物等众多领域,信息技术与纳米技术的关系已密不可分。 从纳米科技发展的历史来看,人们早在1861年建立所谓肢体化学时即开始了对纳米肢体的研究。但真正对纳米进行独立的研究,则是1959年,这一年,著名美国物理学家、诺贝尔奖金获得者德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告。他在报告中认为,能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器,而这较小的机器又可制作更小的机器,这样一步步达到分子程度。费曼还幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。 在70年代末,美国MIT(麻省理工大学)的W.R.Cannon等人发明了激光气相法合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末。80年代初,德国物理学家H.Gleiter等人用气体冷凝发制备了具有清洁表面的纳米颗粒,并在超真空条件下原位压制了多晶纳米固体。现在看来,这些研究都属于纳米材料的初步探索。 科学家预言,尺寸为分子般大小、厚度只有一根头发丝的几百万分之一的纳米机械装置将在今后数年内投入使用。学术实验室和工业实验室的研究人员在开发分子马达、自组装材料等纳米机械部件方面取得了飞速进展。纳米机器具有可以操纵分子的微型“手指”和指挥这些手指如何工作、如何寻找所需原材料的微型电脑。这种手指完全可以由碳纳米管制成,碳纳米管是1991年发现的一种类似头发的碳分子,其强度是钢的100倍,直径只有头发的五万分之一。美国康奈尔大学的研究人员利用有机物和无机物组件开发出一个分子大小的马达,一些人称之为纳米技术领域的“T型发动机”。 纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学,因为它是微电子学发展的下一代。纳米电子学是来自电子工业,是纳米技术发展的一个主要动力。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段,按照全新的理念来构造电子系统,并开发物质潜在的储存和处理

【发展战略】我国半导体产业的现状和发展前景

五、半导体篇 ——我国半导体产业的现状和发展前景 电子信息产业已成为当今全球规模最大、发展最迅猛的产业,微电子技术是其中的核心技术之一(另一个是软件技术)。现代电子信息技术,尤其是计算机和通讯技术发展的驱动力,来自于半导体元器件的技术突破,每一代更高性能的集成电路的问世,都会驱动各个信息技术向前跃进,其战略地位与近代工业化时代钢铁工业的地位不相上下。 当前,世界半导体产业仍由美国占据绝对优势地位,日本欧洲紧随其后,韩国和我国台湾地区也在迅速发展。台湾地区半导体工业已成为世界最大的集成电路代工中心,逐步形成自己的产业体系。 我国的微电子科技和产业起步在50年代,仅比美国晚几年。计划经济时期,由于体制的缺陷和其间10年“文革”,拉大了和国际水平的差距。进入80年代,我国面对国内外微电子技术的巨大反差和国外对我技术封锁,我们没有能够在体制和政策上及时拿出有效应对措施。国有企业无法适应电子技术的快节奏进步,国家协调组织能力下降,科研体制改革缓慢,以致1980~1990年代我国自主发展半导体产业的努力未获显著效果。 “市场‘开放’后,集成电路商品从合法、不合法渠道源源涌入,集成电路所服务的终端产品,以整机或部件散装的形式,也大量流入,但人家确实考虑到微电子的战略核心性质,死死卡住生产集成电路的先进设备,不让进口,在迫使我们落后一截,缺乏竞争力的同时,又时刻瞄准我们科研与生产升级的潜力,把我们的每一次进步扼杀在萌芽状态,冲垮科技能力,从外部加剧我们生产与科研的脱节,迫使我们不得不深深依赖他们。……我们的产业环境又多多少少带有计划色彩,不能很快与国际接轨,其中特别是对微电子产业发展有重大影响的企业制度、资本市场、税收政策、科研体制等,又不适应市场经济要求,使得我们在国际竞争中缺乏活力”。1 20世纪90年代,我国半导体产业的增长速度达到30%以上,但其规模仅占世界半导体子产业的1%,仅能满足大陆半导体市场的不足10%。即使“十五”期间各地计划的项目都能如期实施,到2005年,我国半导体产业在世界上的份额,顶多占到2%~3%。自己的设计和制造水平和国际先进水平的差距很大,企业规模小、重复分散、缺乏竞争力,基本上是跨国公司全球竞争战略的附庸,自己的产业体系还没有成形。 我国半导体产业如此落后的现状,使得我国的经济、科技、国防现代化的基础“建筑在沙滩上”。在世界微电子技术迅猛发展的情况下,我国如不努力追赶,就会在国际竞争中越来越被动,对我国未来信息产业的升级和市场份额的分配,乃至对整个经济发展,都可能造成十分不利的影响。形势逼迫我国必须加快这一产业的发展。“十五”计划中,加快半导体产业的发展被放在重要地位,这是具有重大意义的。 发展中国家要追赶国际高科技产业的步伐,一般都会面临技术、资金、管理、市场的障碍。高科技的产业化是一个大规模的系统工程,需要科研和产业的紧密结合,以及各部门的有效协调,而这些都不是单个企业所能跨越得过去的。在市场机制尚未成熟到有效调动资源的情况下,高层次的组织协调和扶持是必需的。构建具有较高透明度的政策环境和市场环境。有助于鼓励高科技民营企业进入电路设计业领域,鼓励生产企业走规模化和面向国内市场自主开发的路子,形成产业群体。 1许居衍院士,2000年。

半导体材料的发展现状与趋势

半导体材料的发展现状与趋势

半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功,导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期,石英光纤材料和光学纤维的研制成功,以及GaAs 等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明,使光纤通信成为可能,目前光纤已四通八达。我们知道,每一束光纤,可以传输成千上万甚至上百万路电话,这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴,使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构

的制作过程中,它要发生沉淀,沉淀时的体积要增大,会导致缺陷产生,这将直接影响器件和电路的性能。因此,为了克服这个困难,满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高,人们不得不采用硅外延片,就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样,可以有效地避免氧和碳等杂质的污染,同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法,还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结,这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产,8英寸的硅外延片,也正在从实验室走向工业生产;更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外,还有一些大功率器件,一些抗辐照的器件和电路等,也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的,它在生长时,不与石英容器接触,材料的纯度可以很高;利用这种材料,采用中子掺杂的办法,制成N或P型材料,用于大功率器件及电路的研制,特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面,

常用半导体器件

《模拟电子技术基础》 (教案与讲稿) 任课教师:谭华 院系:桂林电子科技大学信息科技学院电子工程系 授课班级:2008电子信息专业本科1、2班 授课时间:2009年9月21日------2009年12月23日每周学时:4学时 授课教材:《模拟电子技术基础》(第4版) 清华大学电子学教研组童诗白华成英主编 高教出版社 2009

第一章常用半导体器件 本章内容简介 半导体二极管是由一个PN结构成的半导体器件,在电子电路有广泛的应用。本章在简要地介绍半导体的基本知识后,主要讨论了半导体器件的核心环节——PN 结。在此基础上,还将介绍半导体二极管的结构、工作原理,特性曲线、主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用。最后对齐纳二极管、变容二极管和光电子器件的特性与应用也给予简要的介绍。 (一)主要内容: ?半导体的基本知识 ?PN结的形成及特点,半导体二极管的结构、特性、参数、模型及应用电 路 (二)基本要求: ?了解半导体材料的基本结构及PN结的形成 ?掌握PN结的单向导电工作原理 ?了解二极管(包括稳压管)的V-I特性及主要性能指标 (三)教学要点: ?从半导体材料的基本结构及PN结的形成入手,重点介绍PN结的单向导 电工作原理、 ?二极管的V-I特性及主要性能指标 1.1 半导体的基本知识 1.1.1 半导体材料 根据物体导电能力(电阻率)的不同,来划分导体、绝缘体和半导体。导电性能介于导体与绝缘体之间材料,我们称之为半导体。在电子器件中,常用的半导体材料有:元素半导体,如硅(Si)、锗(Ge)等;化合物半导体,如砷化镓(GaAs)等;以及掺杂或制成其它化合物半导体材料,如硼(B)、磷(P)、锢(In)和锑(Sb)等。其中硅是最常用的一种半导体材料。 半导体有以下特点: 1.半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间 2.半导体受外界光和热的刺激时,其导电能力将会有显著变化。 3.在纯净半导体中,加入微量的杂质,其导电能力会急剧增强。

2019年半导体分立器件行业发展研究

2019年半导体分立器件行业发展研究 (一)半导体行业基本情况 1、半导体概况 (1)半导体的概念 半导体是一种导电性可受控制,常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体的导电性受控制的范围为从绝缘体到几个欧姆之间。半导体具有五大特性:掺杂性(在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素,导电性能具有可控性)、热敏性、光敏性(在光照和热辐射条件下,其导电性有明显 的变化)、负电阻率温度特性,整流特性。半导体产业为电子元器件产业中最重 要的组成部分,在电子、能源行业的众多细分领域均都有广泛的应用。 (2)半导体行业分类 按照制造技术的不同,半导体产业可划分为集成电路、分立器件、其他器件等多类产品,其中集成电路是把基本的电路元件如晶体管、二极管、电阻、电容、电感等制作在一个小型晶片上然后封装起来形成具有多功能的单元,主要实现对

信息的处理、存储和转换;分立器件是指具有单一功能的电路基本元件,主要实现电能的处理与变换,而半导体功率器件是分立器件的重要部分。 分立器件主要包括功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等半导体功率器件产品;其中,MOSFET和IGBT属于电压控制型开关器件,相比于功率三极管、晶闸管等电流控制型开关器件,具有易于驱动、开关速度快、损耗低等特点。公司生产的MOSFET系列产品和IGBT系列产品属于国内技术水平领先的半导体分立器件产品。半导体器件的分类示意图和公司产品所处的领域如下图所示:

在分立器件发展过程中,20 世纪50 年代,功率二极管、功率三极管面世并应用于工业和电力系统。20 世纪60 至70 年代,晶闸管等半导体功率器件快速发展。20世纪70年代末,平面型功率MOSFET 发展起来;20 世纪80 年代后期,沟槽型功率MOSFET 和IGBT 逐步面世,半导体功率器件正式进入电子应用时

【免费下载】常用半导体器件及应用单元测验附答案

项目六 常用半导体器件及应用 班级 姓名 成绩 一、填空题:(35分) 1.制作半导体器件时,使用最多的半导体材料是 硅 和 锗 。 2.根据载流子数目的不同,可以将半导体分为 本征半导体 、 P 型半导体 和 N 型半导体 三种。 3.PN 结的单向导电性是指:加正向电压 导通 ,加反向电压 截止 。PN 结正偏是指P 区接电源 正 极,N 区接电源 负 极。 4.半导体二极管由一个 PN 结构成,它具有 单向导电 特性。 5.硅二极管的门坎电压是 0.5V ,正向导通压降是 0.7V ;锗二极管的门坎电压是 0.2V ,正向导通压降是 0.3V 。 6.半导体稳压二极管都是 硅 材料制成的。它工作在 反向击穿 状态时,才呈现稳压状态。 7.晶体三极管是由三层半导体、两个PN 结构成的一种半导体器件,两个PN 结分别为 发射结 和 集电结 ;对应的三个极分别是 发射极e 、 基极b 、 集电极c 。 8.半导体三极管中,PNP 的符号是 ,NPN 的符号是 。9.若晶体三极管集电极输出电流I C =9 mA ,该管的电流放大系数为β=50,则其输入电流I B =_0.18_mA 。10.三极管具有电流放大作用的实际是:利用 基极 电流实现对 集电极 电流的控制。因此三极管是 电流 控制型器件。11.三极管的输出特性曲线可分为三个区域,即_放大_区,__饱和_区和_截止_区。12.放大电路静态工作点随 温度 变化而变化, 分压式 偏置电路可较好解决此问题。13.对于一个晶体管放大器来说,一般希望其输入电阻要 大 些,以减轻信号源的负担,提高抗干扰能力;输出电阻要 小 些,以增大带动负载的能力。二、判断题:(10分,将答案填在下面的表格内) 题号12345678910答案××√××√√×√× 1.P 型半导体带正电,N 型半导体带负电。( ) 2.半导体器件一经击穿便即失效,因为击穿是不可逆的。( ) 3.桥式整流电路中,若有一只二极管开路,则输出电压为原先的一半。( ) 4.用两个PN 结就能构成三极管,它就具有放大作用。( ) 5.β越大的三极管,放大电流的能力越强,管子的性能越好。 6.三极管和二极管都是非线性器件。( ) 7.三极管每一个基极电流都有一条输出特性曲线与之对应。( )等多项对全系统启备高中免不

功率器件的发展历程

功率器件的发展历程 IGBT、GTR、GTO、MOSFET、IGBT、IGCT…… 2009-12-08 08:49 引言 电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面,其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础,也是电力电子技术发展的“龙头”。从1958年美国通用电气(GE)公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始,电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代,这标志着电力电子技术的诞生。到了70年代,晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。同时,非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世,广泛应用于各种变流装置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点,其研制及应用得到了飞速发展。 由于普通晶闸管不能自关断,属于半控型器件,因而被称作第一代电力电子器件。在实际需要的推动下,随着理论研究和工艺水平的不断提高,电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展,先后出现了GTR、GTO、功率MOSET等自关断、全控型器件,被称为第二代电力电子器件。近年来,电力电子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展,如IGPT、MCT、HVIC等就是这种发展的产物。 电力整流管 整流管产生于本世纪40年代,是电力电子器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。目前已形成普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管等三种主要类型。其中普通整流管的特点是: 漏电流小、通态压降较高(1 0~1 8V)、反向恢复时间较长(几十微秒)、可获得很高的电压和电流定额。多用于牵引、充电、电镀等对转换速度要求不高的装置中。较快的反向恢复时间(几百纳秒至几微秒)是快恢复整流管的显著特点,但是它的通态压降却很高(1 6~4 0V)。它主要用于斩波、逆变等电路中充当旁路

2章 常用半导体器件及应用题解

第二章常用半导体器件及应用 一、习题 2.1填空 1. 半导材料有三个特性,它们是、、。 2. 在本征半导体中加入元素可形成N型半导体,加入元素可形成P型半导体。 3. 二极管的主要特性是。 4.在常温下,硅二极管的门限电压约为V,导通后的正向压降约为V;锗二极管的门限电压约为V,导通后的正向压降约为V。 5.在常温下,发光二极管的正向导通电压约为V,考虑发光二极管的发光亮度和寿命,其工作电流一般控制在mA。 6. 晶体管(BJT)是一种控制器件;场效应管是一种控制器件。 7. 晶体管按结构分有和两种类型。 8. 晶体管按材料分有和两种类型。 9. NPN和PNP晶体管的主要区别是电压和电流的不同。 10. 晶体管实现放大作用的外部条件是发射结、集电结。 11. 从晶体管的输出特性曲线来看,它的三个工作区域分别是、、。 12. 晶体管放大电路有三种组态、、。 13. 有两个放大倍数相同,输入电阻和输出电阻不同的放大电路A和B,对同一个具有内阻的信号源电压进行放大。在负载开路的条件下,测得A放大器的输出电压小,这说明A 的输入电阻。 14.三极管的交流等效输入电阻随变化。 15.共集电极放大电路的输入电阻很,输出电阻很。 16.射极跟随器的三个主要特点是、、。 17.放大器的静态工作点由它的决定,而放大器的增益、输入电阻、输出电阻等由它的决定。 18.图解法适合于,而等效电路法则适合于。 19.在单级共射极放大电路中,如果输入为正弦波,用示波器观察u o和u i的波形的相位关系为;当为共集电极电路时,则u o和u i的相位关系为。 20. 在NPN共射极放大电路中,其输出电压的波形底部被削掉,称为失真,原因是Q点(太高或太低),若输出电压的波形顶部被削掉,称为失真,原因是Q 点(太高或太低)。如果其输出电压的波形顶部底都被削掉,原因是。 21.某三极管处于放大状态,三个电极A、B、C的电位分别为9V、2V和1.4V,则该三极管属于型,由半导体材料制成。 22.在题图P2.1电路中,某一元件参数变化时,将U CEQ的变化情况(增加;减小;不变)填入相应的空格内。 (1) R b增加时,U CEQ将。 (2) R c减小时,U CEQ将。 (3) R c增加时,U CEQ将。 (4) R s增加时,U CEQ将。 (5) β增加时(换管子),U CEQ将。

谈半导体技术的应用与发展

半导体材料的应用与发展 【摘要】:半导体材料以其独特的优势和非凡的特性,已成为信息与新能源技术发展的基础。本篇文章通过对半导体材料的过去、现在和将来的简述以及近些年来发展的碳基材料石墨烯和碳纳米材料管做了概述,最后对半导体材料的发展前景进行展望。 【关键词】:半导体材料石墨烯碳纳米管 半导体材料作为现代信息和新能源技术的基础受到人们的广泛关注吗。它的发展和应用带给人们福音,尤其是在通信、高速计算、大容量信息处理、可再生清洁能源、空间防御、电子对抗以及武器装备的微型化、智能化等等这些对国民经济和国家安全至关重要的领域出现了巨大的进步,受到了人们的欢迎和重视。一、半导体的概念 物质存在的形式是多种多样的,有固体、液体、气体、离子体等。人们通常把导电性和导热性差的材料,如陶瓷、金刚石、人工晶体、琥珀和玻璃等成为绝缘体。而导电性、导热性都比较好的材料,如金、银、铜、铁、锡、铝等金属,称为导体。可以简单地把介于两者之间的,即介于到体育绝缘体之间的材料称为半导体,与金属和绝缘体相比,半导体材料的发现是最晚的。直到20世纪30年代,当材料的提纯技术改进以后,半导体的存在才真正被学术界认可。 二、半导体的发展 半导体材料的发现可以追溯到19世纪。1833年英国法拉第最先发现了硫化银材料的电阻随着温度的上升而降低,与金属的电阻随着温度的上升而增加的现象相反,从而发现了这种半导体特有的导电现象,不久以后,1893年,法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形式的结在光照下会产生一个电压,这就是后来人们熟知的光生伏特效应。1873年,英国的史密斯发现了硒晶体材料的光电导现象。1874年德国的布劳恩观察到硫化铅与金属接触时的电导与外加的电场方向有关;如果把电压极性反过来,它就不导通了,这就是半导体的整流效应。同年,出生在德国的英国物理学家舒斯特有发现了铜与氧化铜的整流效应。上述半导体的这四个效应,虽然在1880年以前就先后被发现了。但是半导体这个名词大约到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。 20世纪初期,尽管人们对半导体认识比较少,但是对半导体材料的应用研究还是比较活跃的。20世纪20年代,固体物理和量子力学的发展以及能带论的不断完善,使半导体材料中的电子态和电子输运过程的研究更加深入,对半导体材料中的结构性能、杂质和缺陷行为有了更深刻的认识,提高半导体晶体材料的完整性和纯度的研究。20世纪50年代,为了改善晶体管特性,提高其稳定性,半导体材料的制备技术得到了迅速发展。尽管硅在微电子技术应用方面取得了巨大成功,但是硅材料由于受间接带隙的制约,在硅基发光器件的研究方面进展缓慢。随着半导体超晶体格概念的提出,以及分子束外延。金属有机气相外延和化学束外延等先进外延生长技术的进步,成功的生长出一系列的晶态、非晶态薄层、超薄层微结构材料,这不仅推动了半导体物理和半导体器件设计与制造从过去的所谓“杂质工程”发展到“能带工程”为基于量子效应的新一代器件制造与应用打下了基础。 20世纪80年代开始,随着扫描隧道显微术和原子力显微镜技术的发现与应用,纳米科学技术得到了迅速发展,使人们在原子、分子和纳米尺度的水平上操控。制造具有全新功能的材料与器件,于是以碳60、碳纳米管为代表的纳米材料以及半导体量子点、量子线材料及其半导体量子器件的研究称为材料科学研究领域

常用半导体器件习题考答案

第7章 常用半导体器件 习题参考答案 7-1 计算图所示电路的电位U Y (设D 为理想二极管)。 (1)U A =U B =0时; (2)U A =E ,U B =0时; (3)U A =U B =E 时。 解:此题所考查的是电位的概念以及二极管应用的有关知识。从图中可以看出A 、B 两点电位的相对高低影响了D A 和D B 两个二极管的导通与关断。 当A 、B 两点的电位同时为0时,D A 和D B 两个二极管的阳极和阴极(U Y )两端电位同时为0,因此均不能导通;当U A =E ,U B =0时,D A 的阳极电位为E ,阴极电位为0(接地),根据二极管的导通条件,D A 此时承受正压而导通,一旦D A 导通,则U Y >0,从而使D B 承受反压(U B =0)而截止;当U A =U B =E 时,即D A 和D B 的阳极电位为大小相同的高电位,所以两管同时导通,两个1k Ω的电阻为并联关系。本题解答如下: (1)由于U A =U B =0,D A 和D B 均处于截止状态,所以U Y =0; (2)由U A =E ,U B =0可知,D A 导通,D B 截止,所以U Y =E ? +9 19=109E ; (3)由于U A =U B =E ,D A 和D B 同时导通,因此U Y =E ?+5.099=1918E 。 7-2 在图所示电路中,设D 为理想二极管,已知输入电压u i 的波形。试画出输出电压u o 的波形图。 解:此题的考查点为二极管的伏安特性以及电路的基本知识。 首先从(b )图可以看出,当二极管D 导通时,电阻为零,所以u o =u i ;当D 截止时,电阻为无穷大,相当 于断路,因此u o =5V ,即是说,只要判断出D 导通与否, 就可以判断出输出电压的波形。要判断D 是否导通,可 以以接地为参考点(电位零点),判断出D 两端电位的高 低,从而得知是否导通。 u o 与u i 的波形对比如右图所示: 7-3 试比较硅稳压管与普通二极管在结构和运用上有 何异同 (参考答案:见教材) 7-4 某人检修电子设备时,用测电位的办法,测出管脚①对地电位为-;管脚②对地电位

纳米材料及其应用前景

纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪,纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用,并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词:纳米材料;功能;应用; 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成,也正因为这样,纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如:其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等,这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题,可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低,位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型,其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大,增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大,所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生,这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史,由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时,其韧性、 强度、硬度大幅提高,使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值,这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用,从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大,纳米材料的电阻高于同类粗晶材料,甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变(SIMIT)。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点,有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管,表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性,成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展,已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

中国半导体产业发展历史大事记之二

中国半导体产业发展历史大事记之二 ◎分立器件发展阶段(1956--1965) 1956年中国提出“向科学进军”,国家制订了发展各门尖端科学的“十二年科学技术发展远景规划”,明确了目标。根据国外发展电子器件的进程,提出了中国也要研究发展半导体科学,把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。从半导体材料开始,自力更生研究半导体器件。为了落实发展半导体规划,中国科学院应用物理所首先举行了半导体器件短期训练班。请回国的半导体专家内昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制技术和半导体线路。参加短训班的约100多人。 当时国家决定由五所大学-北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学半导体物理专来,共同培养第一批半导体人才。五校中最出名的教授有北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德和吉林大学的高鼎三。1957年就有一批毕业生,其中有现在成为中国科学院院士的王阳元(北京大学)、工程院院士的许居衍(华晶集团公司)和电子工业部总工程师俞忠钰等人。之后,清华大学等一批工科大学也先后设置了半导体专业。 中国半导体材料从锗(Ge)开始。通过提炼煤灰制备了锗材料。1957年北京电子管厂通过还原氧化锗,拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一研究所开发锗晶体管。前者由王守武任半导体实验室主任,后者由武尔桢负责。1957可国依靠自己的技术开发,相继研制出锗点接触二极管和三极管(即晶体管)。为了加强半导体的研究,中国科学院于1960年在北京建立了半导体研究所,同年在河北省石家庄建立了工业性专业研究所-第十三研究所,即现在的河北半导体研究所。到六十年代初,中国半导体器件开始在工厂生产。此时,国内搞半导体器件的已有十几个厂点。当时北方以北京电子管厂为代表,生产了II-6低频合金管和II401高频合金扩散管;南方以上海元件五厂为代表。 在锗之后,很快也研究出其他半导体材料。1959年天津拉制了硅(Si)单晶。1962年又接制了砷化镓(GaAs)单晶,后来也研究开发了其他种化合物半导体。 硅器件开始搞的是合金管。1962年研究成外延工艺,并开始研究采用照相制版、光刻工艺,河北半导体研究所在1963年搞出了硅平面型晶体管,1964年搞出了硅外延平面型晶体管。在平面管之前不久,也搞过错和硅的台面扩散管,但一旦平面管研制出来后,绝大部分器件采用平面结构,因为它更适合于批量生产。

半导体技术发展史

中文摘要: 自从有人类以来,已经过了上百万年的岁月。社会的进步可以用当时人类使用的器物来代表,从远古的石器时代、到铜器,再进步到铁器时代。现今,以硅为原料的电子元件产值,则超过了以钢为原料的产值,人类的历史因而正式进入了一个新的时代,也就是硅的时代。硅所代表的正是半导体元件,包括记忆元件、微处理机、逻辑元件、光电元件与侦测器等等在内,举凡电视、电话、电脑、电冰箱、汽车,这些半导体元件无时无刻都在为我们服务。 关键字:半导体起源,半超导材料,硅材料,半导体器件,临界参量,半超导技术,半超导技术应用,半导体发展趋势。

Abstract Since there are human beings, have over millions of years. The progress of the society can be used when humans use objects to represent, bronze from the ancient stone age, the iron age, progress to. Nowadays, electronic components production using silicon as raw material, more than to steel as the raw material production, human history and thus entered a new era, also is the era of silicon. Silicon is representative of the semiconductor components, including memory element, microprocessor, logic components, optoelectronic devices and sensors and so forth, such as television, telephone, computer, refrigerator, car, the semiconductor elements in every hour and moment for our service Keyword Semiconductor origin, semi superconducting materials, silicon materials, element semiconductor devices, critical parameters, semi superconducting technology, semi superconducting technology, semiconductor development trend

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