2019-2020年高二物理 （人教大纲版）第二册 第十四章 恒定电流 三、半导体及其应用(备课资料).doc

备课资料2019-2020年高二物理 （人教大纲版）第二册 第十四章 恒定电流 三、半导体及其应用(备课资料)在20世纪的100年中，物理学的研究有了飞速的发展.世纪初相对论和量子力学两大现代物理学支柱的建立，对物理学乃至整个自然科学的发展奠定了重要基础.激光科学、核科学、半导体科学等学科的发展无不与现代物理学的发展密切相关.就半导体科学技术而言，它以现代物理学的发展作为重要支撑，以第一只晶体管的发明作为重要契机，50多年来半导体科学与技术的迅速发展对全球的技术进步和经济发展起着重要作用.众所周知，支撑IT产业发展的核心是半导体技术的快速发展，正是有了超大规模的集成电路，才有了我们今天各种现代化的高智能仪器和设备，才有了Internet和Web，才有了当今世界经济的大发展.可以说半导体科学技术的发展与全球经济的发展紧密相关，它成为20世纪中后期发展最迅速、运用最广泛、影响最深远的一项高新技术，充分体现了科学技术是第一生产力.1.从电子管到晶体管1947年12月16日是一个值得纪念的日子，这一天第一只晶体管诞生在美国著名的贝尔实验室，相对于电子器件的前辈电子管来说，晶体管的发明无疑是电子器件中的一场革命，此后半导体晶体管逐步取代电子管，使科学技术跃上了新的更高的层次.二次大战的爆发，对新的电子器件的需求更加迫切，在现实面前，寻找更好的电子器件来弥补电子管的不足摆到了重要的地位.在这种背景下，半导体的作用开始凸现，在研究新的半导体电子器件的工作中，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿发挥了重要作用.肖克利在20世纪30年代就曾指出：只有通过研究半导体，以半导体作为新的电子器件的材料，才有可能实现研制新电子器件的突破.1947年12月16日，巴丁和布拉顿在一块锗半导体上成功地实现了电流放大，这是第一只半导体晶体管.1949年肖克利提出PN结理论，1950年试制出第一只PN结晶体管.从而开辟了电子器件的新纪元.1956年12月10日，发明晶体管的三位美国科学家肖克利、巴丁和布拉顿被授予诺贝尔物理学奖，他们是当之无愧的.2.从分列半导体元件到超大规模集成电路现代电子学和半导体技术二者都是在晶体管的发明后开始的.10多年之后，集成电路问世，这些关键性事件导致了电子技术革命.半导体集成电路是将晶体管、二极管等有源元件和电阻、电容等无源无件按照一定的电路互联，“集成”在一块半导体单晶（主要是硅单晶）片上形成的.1958年制成了第一只单片集成电路，集成电路在缩小体积、降低成本、提高可靠性、降低功耗、提高速度等方面，都有着巨大的优越性和潜力. 一般认为集成度在100个元件以下称为小规模集成电路（SSI），主要在50年代末发展；集成度在1001000个元件的称为中规模集成电路（MSI），主要在60年代发展起来；集成度在103105个元件的称为大规模集成电路（LSI），主要在70年代发展；特别在1971年微处理器问世以来，计算机设计和集成电路技术融合在一起，使整台计算机可以做在一个芯片上，集成度在105个元件以上一般称为超大规模集成电路（VLSI），主要在80年代发展.特大规模集成电路也就是在一个指甲大小（约1.5 cm2）的芯片上，最高集成了约6亿个元器件，相当于一根头发上有300个元器件.在集成电路的发展过程中，美国科学家基尔比起了重要作用.1958年9月，基尔比的第一个安置在半导体锗片上的电路取得成功，称为“相移振荡器”.这是半导体集成电路的最早雏形，由于基尔比对发明集成电路所做的奠基性贡献而成为xx年诺贝尔物理学奖得主.集成电路和微处理机的出现不仅深刻地改变了电子技术的面貌和原有设计理论基础，而且成为现代科学技术的重要基础之一.集成电路向功能越来越大的方向发展.使整机、线路与元件、器件之间的明确界限被突破，器件问题和线路甚至整机系统问题已经结合在一起.体现在一小块硅片上，这样形成了固体物理、器件工艺与电子学三者结合的新领域微电子学.30多年来，摩尔定律已经成为计算机工业的一个不可动摇的原则：每隔18个月，硅芯片上晶体数目就会翻一番.在过去10年中，这条定律所描述的技术进步不断冲击着计算机工业：晶体管越做越小，芯片性能越来越高，计算能力呈指数性增长.英特尔科学家保罗提出现有晶体管模式及技术已经临近发展极限，摩尔定律将很快遇到潜在不可逾越的障碍.晶体管做到如此之小，要不了多久，在芯片上安插单个原子的技术对于芯片小型化将变得至关重要.3.从第一代半导体材料到第三代半导体材料IV族元素中的硅和锗都是具有灰色金属光泽的固体，硬而脆，是最典型的半导体材料.目前使用的半导体材料主要是硅.其制成的晶体二极管既能检波又能整流，晶体三极管有对信号放大和开关作用，在各种无线电装置中作为放大器和振荡器.利用超纯硅对17 m红外透过率高达90%95%这一特征，制作红外聚焦透镜，用以对红外辐射目标进行跟踪、照相等.另外非晶半导体如非晶硅（Si)和非晶锗（Ge)，也有重要的用途，一个重要应用是使光能转化为电能，光信号转化为电信号.非晶硅已成为许多能量转换和显像技术中商品化器件的基础.1990年美国皇家信号和雷达研究院的科学家发现，将单晶硅在电化学腐蚀液中进行多孔化，使其表面生成一层多孔硅，在Ar+激光照射下多孔硅可发射红光.其后，经过多方努力，多孔硅可发出从红到蓝的各种可见光.多孔硅具有独特的结构及光学性质，在可见光范围内光发射量子效率可超过1%，这对于发展可见光波段内的硅光源、硅光电子器件、太阳能电池都具有积极的促进作用.多孔硅光发射的高效、均匀、多色和室温工作等特点，使它在显示技术和超高速信号处理技术中具有潜在应用价值.它的发展有可能导致全硅的光电子电路的实现，对原来统治着光电器件领域的族和族半导体材料提出强有力的挑战.它做成的二极管和激光器用在数字电路中，用光子来代替电子传输信号，这时不存在影响信号传输速度的连线，因而可以大大缩小计算机的体积和提高速度.有人甚至预言，将来有可能将超级计算机做成只有鞋盒大小.砷化镓是一种族化合物，它的特性比较全面，是具有多方面优点的半导体材料.以它为基础制成的集成电路其工作速度可比目前硅集成电路高一个数量级.砷化镓及磷化铟等是第二代半导体材料的典型代表.砷化镓制备的发光二极管、隧道二极管和场效应管是具有广泛用途的半导体器件.在讯号显示、计算机开关、光通讯、微波功率器件、AD转换等许多领域均依靠高性能砷化镓的半导体材料.而第三代的半导体材料将是氮化镓家族.以氮化镓为代表的第三代半导体材料是目前世界上最先进的半导体材料，也是新兴半导体产业的核心材料和基础器件，有“IT产业发动机”之称.第三代半导体材料的兴起，是以氮化镓材料P型掺杂的突破为起点，以高效率蓝绿光发光二极管和蓝光半导体激光器的研制成功为标志.它将在光显示、光存储、光照明等领域有广阔的应用前景.比如用高效率蓝绿光发光二极管制作的超大屏全色显示，可用于室内室外各种场合的动态信息显示，在超大型、全平面、高清晰、无辐射、低功耗、真彩色大屏幕显示领域也占有相当大的比重.高效率白光发光二极管作为新型高效节能固体光源，使用寿命超过10万小时，可比白炽灯节电510倍.达到了节约资源、减少环境污染的双重目的，定将在世界范围内引发照明电光源的一场划时代的深刻革命.蓝光半导体激光器用于制作DVD，可以比CD光盘提高存储密度20倍以上.另一方面，氮化镓材料宽带隙的特点也保证了它在高温、大功率以及紫外光探测器等半导体器件的应用前景.它具有高可靠性、高效率、快速响应、长寿命、全固体化、体积小等优点，在宇宙飞船、火箭探测、大气探测等领域将发挥重大作用.在未来10年里，氮化镓材料将成为市场增幅最快的半导体材料，到xx年将达到30亿美元的产值，占化合物半导体市场总额的20%.同时作为新型光显示、光存储、光照明、光探测器件，可促进上千亿美元相关设备、系统的新产业的形成.4.半导体科学技术给我们时代带来的进步和21世纪面临的挑战可以设想：若没有现代晶体管，不可能有今日的计算机和遍布全球的因特网.因为，如果采用电子管制造的简单计算器，出现在你面前的可能将是体积巨大的庞然大物；若没有现代晶体管就没有今日方便、快捷、可靠的现代通信.若没有现代晶体管，便没有容量巨大的半导体存储器，便没有动人心弦的航天飞行、登月计划、火星探险，便没有20世纪后半叶沧桑巨变.贝尔实验室前总裁伊恩罗斯把现代社会称为硅时代，这是因为电子时代、信息时代的原动力来自硅晶体管.微电子学与材料、电子、医学、生物、通讯、计算机等学科密切相关，应用于国民经济各部门，促进了信息革命和信息社会的到来.它与其他学科相互渗透和结合，形成了许多新的交叉学科领域.微电子学跟光学结合而产生光集成电子学，光集成电路技术已成为现代光通信的关键技术之一.微电子学跟超导学科相结合而出现类似于硅数字集成电路片的超导集成电路，这种集成电路的速度比硅集成电路要提高几十倍.目前科学家正在纳米尺度的领域中研究微电子学，新的纳米级存储器芯片已投入生产，计算机在普遍采用纳米技术后，可以缩小为掌上电脑，这种器件具有超高速、超容量、超微型、低功耗的优良特点.INTEL公司研究人员已经开发出当今世界最小最快的互补金属氧化物晶体管，新的晶体管厚度仅 30 nm，这一突破将在未来5到10年内能够生产出含有4亿个晶体管，运行速度为每秒 10 GHz，工作电压1 V以下的新型微处理器.半导体科学与技术经过几十年的迅速发展后，现在又面临着新的挑战：再过15到20年可能要达到它发展的基本极限.能否实现微电子技术下一步的突破被看做21世纪初期要面对的最重大的科学问题之一.如果能从物理原理上突破目前半导体器件的工作原理而得到全新的器件，那么实现这种突破的基础有赖于纳米材料物理的深入研究和新的发现以及算法理论上与之相配合的突破.电子器件的工作依赖于电子在其中的运输过程.电子和光子一样具有波粒二象性.当电子元件线宽小于0.1 m时就必须考虑量子效应，利用量子效应设计的各种新型电子元件称为量子元件.量子元件在响应速度和降低电力消耗上与经典的硅和砷化镓等半导体元件相比，高出了1000倍.另外为了突破目前通用计算机的经典极限，近年来人们提出了研究和制作量子计算机的设想.量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储和处理量子信息的物理装置.它由相应的量子硬件所组成，包括量子位、量子门和量子导线.目前最基本的量子逻辑运算已经在一些物理实验中被验证，从总的发展来看，利用相互作用量子点来实现量子位和量子门被认为是最有希望能够实用化的.这是因为半导体量子点可以与现有的硅基微电子技术相集成，与现有的微电子技术优势互补.另一方面，在经济和技术的推动下，集成电路将向“更快、更好、更便宜”的方向发展；技术上将向“硅片直径更大、特征线宽更小”发展.到2015年特征线宽希望达到25 nm.这就对硅材料的科学和技术进步提出了更严格的要求，它要求硅单晶材料在大直径化的同时，必须减少和控制微缺陷，这是面临的又一挑战.从半导体材料的研究方面而言，在21世纪将集中于宽禁带半导体、量子信息与低维半导体物理、纳米半导体等热点问题，因为这些新的半导体材料的研究和开发对制备新型半导体器件极为重要.