发展中的半导体科学与技术.pdfVIP

发展中的半导体科学与技术

摘要：半导体科学技术是自然科学和技术领域中的一个极其重要的活跃分支,也

是完美体现当代科学技术发展特点的一个突出范例。半导体芯片在计算机、数码

相机、手机等现代必备的设备中广泛应用，由于芯片的面积与时俱进地缩小，其

密度随时间指数增长，这些装置可以做得越来越小，便于人们随身携带。半导体

的体积小、结构简单、重量轻、寿命长、可靠性高、能源简单或不需要特别设置

能源，能将自然界的光能、热能转变为电能，同时能进行可逆的能量转换等，半

导体必将在人类生活的改善，农业、工业和国防建设上会有更多的创新。

关键词：半导体；硅材料；集成电路；发展趋势

1

引言：

在现代生活中，半导体无处不在，可以毫不夸张地说，只要有电器，就有半

导体的存在与应用。比如，你行走在大街上，十字路口的红绿灯、城市夜景让人

迷离的霓虹灯；你想要和同学联系使用的手机；回到家时，为了放松心情，我们

要打开的电视、音响、电脑等等，所有这一切都离不开半导体。

日常生活中，半导体器件随时伴随在我们身边。人们利用半导体的特性制作

成的各种半导体元器件广泛用于社会生活及科学发展中，常用的手机、电脑、电

视、收音机以及我们的身份证、乘车卡都有不同的半导体芯片发挥着相关的作用；

利用半导体制作的红外探测器、半导体激光器等在医学、工业、交通、勘探等领

域替代人工所不能及的探测和控制能力；利用半导体的光电效应将太阳辐射能直

接转变成电能。太阳能电池是一个典型的光电池，我国目前利用半导体多晶硅材

料制作的太阳能电池，已形成较大规模的生产，不仅用于生活，还在工业、农业、

科学研究以及人造卫星、宇宙飞船中得到广泛应用。

1半导体概述

我们知道，物体存在的形式有固体、液体和气体。它们都是由原子、分子或

带电的离子所组成的。其中，原子以周期性排列的固体称为晶体，如石英和方解

石就是常见的天然晶体。晶体又有单晶体和多晶体之分。单晶体是一块以原子或

原子团为单位沿着空间的前后、左右、上下三个方向整齐地排列的固体。多晶体

则是许多取向不同的单晶体颗粒组成的一块固体。

自然界存在的大多数固体都是多晶体。这是由晶粒所组成。科学家在掌握了

晶体组成的规律后，可以控制生长出我们所需要的晶体。例如，一些光彩夺目的

珠宝，就是在晶体制作中掺杂一些特定的杂质所形成的。如在铝氧化合物晶格中

的一些铝原子被铬原子替代，它就可以吸收特定的红光或蓝光，就成为红宝石或

蓝宝石。

有一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物体，如树木、纸张、非金属结晶

体（硅、硒、锗等）叫做半导体。绝大多数半导体是固体，而且是单晶体。严格

而言，半导体是绝缘体。以规则结构的硅晶体为例，每个硅原子被四个最近的原

子包围，形成四面体结构，因没有传导电流的自由电荷存在，电子被固定在硅原

子间的化学键上，因此不导电。但在加入少量的磷原子后，情况就发生了变化。

每个磷原子有五个外层电子，而硅原子的化学键只需四个电子，多余的一个电子

就能在晶体内自由移动，好像一辆在广场上行驶的汽车。不同的掺杂半导体组合

2

可以制成不同的微开关，用这种方法就能制成几十亿个微开关，从而构成了计算

机芯片，以及我们现在广泛使用的手机芯片。这些技术使半导体在现代通信和网

路技术上大显身手。

2半导体的应用

随着微电子工业飞速发展,除了本身对加工技术和加工设备的要求之外,

同时对硅材料也提出了更新更高的要求。

半导体芯片在计算机、数码相机、手机等现代必备的设备中广泛应用，由于

芯片的面积与时俱进地缩小，其密度随时间指数增长，这些装置可以做得越来越

小，便于人们随身携带。示出了半导体芯片的图形。半导体芯片具有数据处理和

储存的功能，芯片中除了许多集成元件外，还有多层金属导线，它们与元件一起

形成复杂的网络结构。四十年前，其表面积约为10微米×10微米，而今的表面

积缩小到小于50纳米×50纳米，缩小了接近四万倍以上，即从微米世界进入到

纳米世界。

有一类器件的材料称为有机发光二极管，这是用有机半导体制作的。发光二

极管构建的基底是用玻璃、石英等制作的，中间作为阳极的材料是一个透明导电

层，是厚度为100纳米~150纳米的一个有