半導(dǎo)體技術(shù)對人類社會的影響

1、物理學(xué)與人類文明任課老師：戴長建 班級：材化一班 姓名：余偉 學(xué)號：半導(dǎo)體技術(shù)對人類社會的影響 材化一班 余偉 半導(dǎo)體材料對20世紀(jì)的人類文明所起的巨大影響最令人驚訝。20世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的100年，原子能、半導(dǎo)體、激光和電子計(jì)算機(jī)被稱為20世紀(jì)的四大發(fā)明，后三大發(fā)明是緊密相關(guān)的。 半導(dǎo)體，指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體在收音機(jī)、電視機(jī)以及測溫上有著廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體電阻率介于金屬和絕緣體之間并有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體：室溫時(shí)電阻率約在1mcm1Gcm之間，溫度升高時(shí)電阻率則減小。半導(dǎo)體材料很多，按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。鍺和硅是最常用

2、的元素半導(dǎo)體；化合物半導(dǎo)體包括第和第族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、第和第族化合物( 硫化鎘、硫化鋅等)、氧化物(錳、鉻、鐵、銅的氧化物),以及由-族化合物和-族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。除上述晶態(tài)半導(dǎo)體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體等。半導(dǎo)體的分類，按照其制造技術(shù)可以分為：集成電路器件，分立器件、光電半導(dǎo)體、邏輯IC、模擬IC、儲存器等大類，一般來說這些還會被分成小類。此外還有以應(yīng)用領(lǐng)域、設(shè)計(jì)方法等進(jìn)行分類，雖然不常用，但還是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其規(guī)模進(jìn)行分類的方法。此外，還有按照其所處理的信號，可以分成模擬、數(shù)字、模擬數(shù)字混成及功能進(jìn)行分類的方法。

3、半導(dǎo)體五大特性摻雜性，熱敏性，光敏性，負(fù)電阻率溫度特性，整流特性。 在形成晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體中，人為地?fù)饺胩囟ǖ碾s質(zhì)元素，導(dǎo)電性能具有可控性。 在光照和熱輻射條件下，其導(dǎo)電性有明顯的變化。 半導(dǎo)體材料的制造為了滿足量產(chǎn)上的需求，半導(dǎo)體的電性必須是可預(yù)測并且穩(wěn)定的，因此包括摻雜物的純度以及半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)的品質(zhì)都必須嚴(yán)格要求。常見的品質(zhì)問題包括晶格的錯(cuò)位、雙晶面，或是堆棧錯(cuò)誤都會影響半導(dǎo)體材料的特性。對于一個(gè)半導(dǎo)體元件而言，材料晶格的缺陷通常是影響元件性能的主因。目前用來成長高純度單晶半導(dǎo)體材料最常見的方法稱為裘可拉斯基制程。這種制程將一個(gè)單晶的晶種放入溶解的同材質(zhì)液體中，再以旋轉(zhuǎn)的方式緩緩向上拉起

4、。在晶種被拉起時(shí)，溶質(zhì)將會沿著固體和液體的接口固化，而旋轉(zhuǎn)則可讓溶質(zhì)的溫度均勻。最早的實(shí)用“半導(dǎo)體”是電晶體（Transistor）/ 二極體（Diode）。 一、在無線電收音機(jī)（Radio）及電視機(jī)（Television）中，作為“訊號放大器/整流器”用。 二、近來發(fā)展太陽能（Solar Power），也用在光電池（Solar Cell）中。 三、半導(dǎo)體可以用來測量溫度，測溫范圍可以達(dá)到生產(chǎn)、生活、醫(yī)療衛(wèi)生、科研教學(xué)等應(yīng)用的70%的領(lǐng)域，有較高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，分辨率可達(dá)0.1，甚至達(dá)到0.01也不是不可能，線性度0.2%，測溫范圍-100+300，是性價(jià)比極高的一種測溫元件。半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實(shí)

5、際上可以追溯到很久以前，1833年，英國巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。不久， 1839年法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特征。1873年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一個(gè)特有的性質(zhì)。半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)，雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這

6、四個(gè)特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。在1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。為什么半導(dǎo)體被認(rèn)可需要這么多年呢？主要原因是當(dāng)時(shí)的材料不純。沒有好的材料，很多與材料相關(guān)的問題就難以說清楚。 1904年發(fā)明真空二極管，1920年無線電廣播便風(fēng)靡全球;1931年半導(dǎo)體理論提出，1948年用半導(dǎo)體材料鍺制成了晶體管，從真空管到晶體管，使電子工業(yè)發(fā)生了質(zhì)的飛躍，具有劃時(shí)代的意義;

7、1959年硅半導(dǎo)體材料研制成功，為微電子工業(yè)奠定了基礎(chǔ)，事實(shí)上也是為計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來提供了物質(zhì)條件.1946年世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)在美國問世，當(dāng)時(shí)還沒有半導(dǎo)體材料，它是由18000支真空管組成的龐然大物，每秒鐘實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算40000次;1948年半導(dǎo)體材料取得突破，隨即晶體管線路普及,1956年第一臺晶體管計(jì)算機(jī)問世，和第一代真空管計(jì)算機(jī)相比，體積減小上千倍，運(yùn)算速度提高到每秒近100萬次;第三代計(jì)算機(jī)是在硅半導(dǎo)體材料發(fā)明以后，集成電路得以實(shí)現(xiàn)，1963年出現(xiàn)了硅半導(dǎo)體集成電路計(jì)算機(jī)，體積進(jìn)一步縮小，運(yùn)算速度達(dá)到每秒100萬一200萬次;隨著半導(dǎo)體材料質(zhì)量的提高和制造技術(shù)的改進(jìn)，1971年后

8、超大規(guī)模集成電路得以實(shí)現(xiàn)，加上信息存儲材料和超微加工技術(shù)的發(fā)展，第四代超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)問世，計(jì)算機(jī)速度高達(dá)每秒千萬次。事實(shí)說明，沒有半導(dǎo)體材料就沒有微電子工業(yè)，就沒有計(jì)算機(jī)的時(shí)代。20世紀(jì)初(1905年)世界上第一個(gè)真空電子管的發(fā)明，標(biāo)志著人類社會進(jìn)入電子化時(shí)代，電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了第一次重大技術(shù)突破。這是控制電子在真空中的運(yùn)動規(guī)律和特性而產(chǎn)生的技術(shù)成果。從此產(chǎn)生了無線電通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、廣播、電視和各種真空管電子儀器及系統(tǒng)。經(jīng)過第二次世界大戰(zhàn)后，人們感覺到真空管還存在許多不足，如儀器設(shè)備體積大、重量大、耗電大、可靠性和壽命受限制等。因此，研究新型電子管的迫切需求被提出來了。1947年美國貝爾

9、實(shí)驗(yàn)室兩位科學(xué)家巴丁和布拉坦在做鍺表面實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)明了世界上第一個(gè)點(diǎn)接觸鍺晶體管。兩年后被譽(yù)為電子時(shí)代先驅(qū)的科學(xué)家肖克萊發(fā)表了晶體管的理論基礎(chǔ)PN理論。此后，實(shí)驗(yàn)型晶體管研制成功，使晶體管進(jìn)人實(shí)用階段。品體管的發(fā)明是電子技術(shù)的第二次重大技術(shù)突破，為微電子技術(shù)揭開序幕。為表彰三位科學(xué)家的卓越貢獻(xiàn)，他們共同獲得1956年諾貝爾物理學(xué)獎。 晶體管發(fā)展初期是利用鍺單品材料進(jìn)行研制的。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Pa笛單晶做的晶體管漏電流大，工作電壓低.表面性能不穩(wěn)定，隨溫度的升高，性能下降，可靠性和壽命不佳?？茖W(xué)的道路是沒有盡頭的，科學(xué)家通過大量的實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體硅比鍺有更多的優(yōu)點(diǎn)。在鉗晶體管中所表現(xiàn)出來的缺點(diǎn)，利用

10、硅單晶材料將會產(chǎn)生不同程度的改進(jìn)，硅晶體管的性能會有大的提高。特別是繼表面可以形成穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)致密、電學(xué)性能很好的二氧化硅保護(hù)層。這不僅使硅晶體管比鍺晶體管更加穩(wěn)定，性能更好，而且更重要的是在技術(shù)上大大前進(jìn)一步，即發(fā)明了晶體管平面工藝，為20世紀(jì)50年代末集成電路的問世準(zhǔn)備了可靠的基礎(chǔ)，這正是微電子技術(shù)的一大突破，也是電子技術(shù)的第三次重大技術(shù)突破。 1946年世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)是由18000多只電子管組成的，后來b出現(xiàn)了單晶硅半導(dǎo)體，導(dǎo)致了大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展。雖然，單晶硅體積只有拇指大，但功能和速度的強(qiáng)大使世界電子科技在57年內(nèi)發(fā)生翻天覆地的變化。在人們接受大量信息洗禮的時(shí)候，半導(dǎo)體的發(fā)展又開始從元素半導(dǎo)體向化合物半導(dǎo)體進(jìn)化和演變了：鍺半導(dǎo)體一單晶硅半導(dǎo)體一超純單晶硅和拉制單品硅半導(dǎo)體i砷化綜半導(dǎo)體。第三代半導(dǎo)體的代表，化合物半導(dǎo)體砷化鑷可使運(yùn)算速度提高10倍以上，耗電量僅為硅的1/10。 我們生活的時(shí)代是大科學(xué)時(shí)代，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)。IT技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體技術(shù)已日益滲