2019-2020年高二物理 （人教大綱版）第二冊 第十四章 恒定電流 三、半導體及其應用(備課資料).doc

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●備課資料 2019-2020年高二物理 （人教大綱版）第二冊 第十四章 恒定電流 三、半導體及其應用(備課資料) 在20世紀的100年中，物理學的研究有了飛速的發(fā)展.世紀初相對論和量子力學兩大現(xiàn)代物理學支柱的建立，對物理學乃至整個自然科學的發(fā)展奠定了重要基礎.激光科學、核科學、半導體科學等學科的發(fā)展無不與現(xiàn)代物理學的發(fā)展密切相關.就半導體科學技術而言，它以現(xiàn)代物理學的發(fā)展作為重要支撐，以第一只晶體管的發(fā)明作為重要契機，50多年來半導體科學與技術的迅速發(fā)展對全球的技術進步和經(jīng)濟發(fā)展起著重要作用.眾所周知，支撐IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心是半導體技術的快速發(fā)展，正是有了超大規(guī)模的集成電路，才有了我們今天各種現(xiàn)代化的高智能儀器和設備，才有了Internet和Web，才有了當今世界經(jīng)濟的大發(fā)展.可以說半導體科學技術的發(fā)展與全球經(jīng)濟的發(fā)展緊密相關，它成為20世紀中后期發(fā)展最迅速、運用最廣泛、影響最深遠的一項高新技術，充分體現(xiàn)了科學技術是第一生產(chǎn)力. 1.從電子管到晶體管 1947年12月16日是一個值得紀念的日子，這一天第一只晶體管誕生在美國著名的貝爾實驗室，相對于電子器件的前輩——電子管來說，晶體管的發(fā)明無疑是電子器件中的一場革命，此后半導體晶體管逐步取代電子管，使科學技術躍上了新的更高的層次. 二次大戰(zhàn)的爆發(fā)，對新的電子器件的需求更加迫切，在現(xiàn)實面前，尋找更好的電子器件來彌補電子管的不足擺到了重要的地位.在這種背景下，半導體的作用開始凸現(xiàn)，在研究新的半導體電子器件的工作中，美國物理學家肖克利、巴丁和布拉頓發(fā)揮了重要作用.肖克利在20世紀30年代就曾指出：只有通過研究半導體，以半導體作為新的電子器件的材料，才有可能實現(xiàn)研制新電子器件的突破.1947年12月16日，巴丁和布拉頓在一塊鍺半導體上成功地實現(xiàn)了電流放大，這是第一只半導體晶體管.1949年肖克利提出P—N結(jié)理論，1950年試制出第一只P—N結(jié)晶體管.從而開辟了電子器件的新紀元.1956年12月10日，發(fā)明晶體管的三位美國科學家肖克利、巴丁和布拉頓被授予諾貝爾物理學獎，他們是當之無愧的. 2.從分列半導體元件到超大規(guī)模集成電路 現(xiàn)代電子學和半導體技術二者都是在晶體管的發(fā)明后開始的.10多年之后，集成電路問世，這些關鍵性事件導致了電子技術革命.半導體集成電路是將晶體管、二極管等有源元件和電阻、電容等無源無件按照一定的電路互聯(lián)，“集成”在一塊半導體單晶（主要是硅單晶）片上形成的.1958年制成了第一只單片集成電路，集成電路在縮小體積、降低成本、提高可靠性、降低功耗、提高速度等方面，都有著巨大的優(yōu)越性和潛力. 一般認為集成度在100個元件以下稱為小規(guī)模集成電路（SSI），主要在50年代末發(fā)展；集成度在100~1000個元件的稱為中規(guī)模集成電路（MSI），主要在60年代發(fā)展起來；集成度在103~105個元件的稱為大規(guī)模集成電路（LSI），主要在70年代發(fā)展；特別在1971年微處理器問世以來，計算機設計和集成電路技術融合在一起，使整臺計算機可以做在一個芯片上，集成度在105個元件以上一般稱為超大規(guī)模集成電路（VLSI），主要在80年代發(fā)展.特大規(guī)模集成電路也就是在一個指甲大?。s1.5 cm2）的芯片上，最高集成了約6億個元器件，相當于一根頭發(fā)上有300個元器件. 在集成電路的發(fā)展過程中，美國科學家基爾比起了重要作用.1958年9月，基爾比的第一個安置在半導體鍺片上的電路取得成功，稱為“相移振蕩器”.這是半導體集成電路的最早雛形，由于基爾比對發(fā)明集成電路所做的奠基性貢獻而成為xx年諾貝爾物理學獎得主.集成電路和微處理機的出現(xiàn)不僅深刻地改變了電子技術的面貌和原有設計理論基礎，而且成為現(xiàn)代科學技術的重要基礎之一.集成電路向功能越來越大的方向發(fā)展.使整機、線路與元件、器件之間的明確界限被突破，器件問題和線路甚至整機系統(tǒng)問題已經(jīng)結(jié)合在一起.體現(xiàn)在一小塊硅片上，這樣形成了固體物理、器件工藝與電子學三者結(jié)合的新領域——微電子學. 30多年來，摩爾定律已經(jīng)成為計算機工業(yè)的一個不可動搖的原則：每隔18個月，硅芯片上晶體數(shù)目就會翻一番.在過去10年中，這條定律所描述的技術進步不斷沖擊著計算機工業(yè)：晶體管越做越小，芯片性能越來越高，計算能力呈指數(shù)性增長.英特爾科學家保羅提出現(xiàn)有晶體管模式及技術已經(jīng)臨近發(fā)展極限，摩爾定律將很快遇到潛在不可逾越的障礙.晶體管做到如此之小，要不了多久，在芯片上安插單個原子的技術對于芯片小型化將變得至關重要. 3.從第一代半導體材料到第三代半導體材料 IV族元素中的硅和鍺都是具有灰色金屬光澤的固體，硬而脆，是最典型的半導體材料.目前使用的半導體材料主要是硅.其制成的晶體二極管既能檢波又能整流，晶體三極管有對信號放大和開關作用，在各種無線電裝置中作為放大器和振蕩器.利用超純硅對1~7 μm紅外透過率高達90%~95%這一特征，制作紅外聚焦透鏡，用以對紅外輻射目標進行跟蹤、照相等.另外非晶半導體如非晶硅（α－Si)和非晶鍺（α－Ge)，也有重要的用途，一個重要應用是使光能轉(zhuǎn)化為電能，光信號轉(zhuǎn)化為電信號.非晶硅已成為許多能量轉(zhuǎn)換和顯像技術中商品化器件的基礎. 1990年美國皇家信號和雷達研究院的科學家發(fā)現(xiàn)，將單晶硅在電化學腐蝕液中進行多孔化，使其表面生成一層多孔硅，在Ar+激光照射下多孔硅可發(fā)射紅光.其后，經(jīng)過多方努力，多孔硅可發(fā)出從紅到藍的各種可見光.多孔硅具有獨特的結(jié)構(gòu)及光學性質(zhì)，在可見光范圍內(nèi)光發(fā)射量子效率可超過1%，這對于發(fā)展可見光波段內(nèi)的硅光源、硅光電子器件、太陽能電池都具有積極的促進作用.多孔硅光發(fā)射的高效、均勻、多色和室溫工作等特點，使它在顯示技術和超高速信號處理技術中具有潛在應用價值.它的發(fā)展有可能導致全硅的光電子電路的實現(xiàn)，對原來統(tǒng)治著光電器件領域的Ⅲ－Ⅴ族和Ⅱ－Ⅵ族半導體材料提出強有力的挑戰(zhàn).它做成的二極管和激光器用在數(shù)字電路中，用光子來代替電子傳輸信號，這時不存在影響信號傳輸速度的連線，因而可以大大縮小計算機的體積和提高速度.有人甚至預言，將來有可能將超級計算機做成只有鞋盒大小. 砷化鎵是一種Ⅲ—Ⅴ族化合物，它的特性比較全面，是具有多方面優(yōu)點的半導體材料.以它為基礎制成的集成電路其工作速度可比目前硅集成電路高一個數(shù)量級.砷化鎵及磷化銦等是第二代半導體材料的典型代表.砷化鎵制備的發(fā)光二極管、隧道二極管和場效應管是具有廣泛用途的半導體器件.在訊號顯示、計算機開關、光通訊、微波功率器件、A－D轉(zhuǎn)換等許多領域均依靠高性能砷化鎵的半導體材料. 而第三代的半導體材料將是氮化鎵家族.以氮化鎵為代表的第三代半導體材料是目前世界上最先進的半導體材料，也是新興半導體產(chǎn)業(yè)的核心材料和基礎器件，有“IT產(chǎn)業(yè)發(fā)動機”之稱.第三代半導體材料的興起，是以氮化鎵材料P－型摻雜的突破為起點，以高效率藍綠光發(fā)光二極管和藍光半導體激光器的研制成功為標志.它將在光顯示、光存儲、光照明等領域有廣闊的應用前景.比如用高效率藍綠光發(fā)光二極管制作的超大屏全色顯示，可用于室內(nèi)室外各種場合的動態(tài)信息顯示，在超大型、全平面、高清晰、無輻射、低功耗、真彩色大屏幕顯示領域也占有相當大的比重.高效率白光發(fā)光二極管作為新型高效節(jié)能固體光源，使用壽命超過10萬小時，可比白熾燈節(jié)電5~10倍.達到了節(jié)約資源、減少環(huán)境污染的雙重目的，定將在世界范圍內(nèi)引發(fā)照明電光源的一場劃時代的深刻革命.藍光半導體激光器用于制作DVD，可以比CD光盤提高存儲密度20倍以上.另一方面，氮化鎵材料寬帶隙的特點也保證了它在高溫、大功率以及紫外光探測器等半導體器件的應用前景.它具有高可靠性、高效率、快速響應、長壽命、全固體化、體積小等優(yōu)點，在宇宙飛船、火箭探測、大氣探測等領域?qū)l(fā)揮重大作用.在未來10年里，氮化鎵材料將成為市場增幅最快的半導體材料，到xx年將達到30億美元的產(chǎn)值，占化合物半導體市場總額的20%.同時作為新型光顯示、光存儲、光照明、光探測器件，可促進上千億美元相關設備、系統(tǒng)的新產(chǎn)業(yè)的形成. 4.半導體科學技術給我們時代帶來的進步和21世紀面臨的挑戰(zhàn) 可以設想：若沒有現(xiàn)代晶體管，不可能有今日的計算機和遍布全球的因特網(wǎng).因為，如果采用電子管制造的簡單計算器，出現(xiàn)在你面前的可能將是體積巨大的龐然大物；若沒有現(xiàn)代晶體管就沒有今日方便、快捷、可靠的現(xiàn)代通信.若沒有現(xiàn)代晶體管，便沒有容量巨大的半導體存儲器，便沒有動人心弦的航天飛行、登月計劃、火星探險，便沒有20世紀后半葉滄桑巨變.貝爾實驗室前總裁伊恩羅斯把現(xiàn)代社會稱為硅時代，這是因為電子時代、信息時代的原動力來自硅晶體管. 微電子學與材料、電子、醫(yī)學、生物、通訊、計算機等學科密切相關，應用于國民經(jīng)濟各部門，促進了信息革命和信息社會的到來.它與其他學科相互滲透和結(jié)合，形成了許多新的交叉學科領域.微電子學跟光學結(jié)合而產(chǎn)生光集成電子學，光集成電路技術已成為現(xiàn)代光通信的關鍵技術之一.微電子學跟超導學科相結(jié)合而出現(xiàn)類似于硅數(shù)字集成電路片的超導集成電路，這種集成電路的速度比硅集成電路要提高幾十倍.目前科學家正在納米尺度的領域中研究微電子學，新的納米級存儲器芯片已投入生產(chǎn)，計算機在普遍采用納米技術后，可以縮小為掌上電腦，這種器件具有超高速、超容量、超微型、低功耗的優(yōu)良特點.INTEL公司研究人員已經(jīng)開發(fā)出當今世界最小最快的互補金屬氧化物晶體管，新的晶體管厚度僅 30 nm，這一突破將在未來5到10年內(nèi)能夠生產(chǎn)出含有4億個晶體管，運行速度為每秒 10 GHz，工作電壓1 V以下的新型微處理器. 半導體科學與技術經(jīng)過幾十年的迅速發(fā)展后，現(xiàn)在又面臨著新的挑戰(zhàn)：再過15到20年可能要達到它發(fā)展的基本極限.能否實現(xiàn)微電子技術下一步的突破被看做21世紀初期要面對的最重大的科學問題之一.如果能從物理原理上突破目前半導體器件的工作原理而得到全新的器件，那么實現(xiàn)這種突破的基礎有賴于納米材料物理的深入研究和新的發(fā)現(xiàn)以及算法理論上與之相配合的突破.電子器件的工作依賴于電子在其中的運輸過程.電子和光子一樣具有波粒二象性.當電子元件線寬小于0.1 μm時就必須考慮量子效應，利用量子效應設計的各種新型電子元件稱為量子元件.量子元件在響應速度和降低電力消耗上與經(jīng)典的硅和砷化鎵等半導體元件相比，高出了1000倍.另外為了突破目前通用計算機的經(jīng)典極限，近年來人們提出了研究和制作量子計算機的設想.量子計算機是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲和處理量子信息的物理裝置.它由相應的量子硬件所組成，包括量子位、量子門和量子導線.目前最基本的量子邏輯運算已經(jīng)在一些物理實驗中被驗證，從總的發(fā)展來看，利用相互作用量子點來實現(xiàn)量子位和量子門被認為是最有希望能夠?qū)嵱没?這是因為半導體量子點可以與現(xiàn)有的硅基微電子技術相集成，與現(xiàn)有的微電子技術優(yōu)勢互補.另一方面，在經(jīng)濟和技術的推動下，集成電路將向“更快、更好、更便宜”的方向發(fā)展；技術上將向“硅片直徑更大、特征線寬更小”發(fā)展.到2015年特征線寬希望達到25 nm.這就對硅材料的科學和技術進步提出了更嚴格的要求，它要求硅單晶材料在大直徑化的同時，必須減少和控制微缺陷，這是面臨的又一挑戰(zhàn).從半導體材料的研究方面而言，在21世紀將集中于寬禁帶半導體、量子信息與低維半導體物理、納米半導體等熱點問題，因為這些新的半導體材料的研究和開發(fā)對制備新型半導體器件極為重要.