1電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)導(dǎo)論

21世紀(jì)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類歷史即將進(jìn)入一個嶄新的時代──信息時代。其鮮明的時代特征是，支撐這個時代的諸如能源、交通、材料和信息等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)均將得到高度發(fā)展，并能充分滿足社會發(fā)展及人民生活的多方面需求。信息科學(xué)的基礎(chǔ)是微電子技術(shù)和光電子技術(shù)，它們同屬于教育部本科專業(yè)目錄中的一級學(xué)科“電子科學(xué)與技術(shù)”。電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)情況沒有微電子技術(shù)的劃時代發(fā)展，就沒有現(xiàn)代電子技術(shù)的輝煌成就。在計(jì)算機(jī)、通信、自動控制、機(jī)電一體化等領(lǐng)域都無法脫離開依靠微電子技術(shù)制造的產(chǎn)品。微電子學(xué)與固體電子學(xué)大體上包含如下內(nèi)容半導(dǎo)體材料學(xué)Si、Ge、GaAs、GaN、InP等等。半導(dǎo)體器件學(xué)電子器件、光電子器件、光子器件、傳感器件、微機(jī)械器件等集成電路設(shè)計(jì)學(xué)（集成電路與系統(tǒng)設(shè)計(jì)）模擬、數(shù)字、混合半導(dǎo)體器件及集成電路的制造學(xué)涉及工藝問題半導(dǎo)體材料?半導(dǎo)體材料的發(fā)展簡史?半導(dǎo)體材料的分類?半導(dǎo)體材料的發(fā)展趨勢什么是半導(dǎo)體？按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，有不同的分類方式。按固體的導(dǎo)電能力區(qū)分，可以區(qū)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的電阻率范圍材料導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體電阻率（歐姆）﹤10-310-3--109﹥109半導(dǎo)體的起源半導(dǎo)體的起源

在

二十世紀(jì)的近代科學(xué)，特別是量子力學(xué)發(fā)展知道金屬材料擁有良好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱特性，而陶瓷材料則否，性質(zhì)出來之前，人們對于四周物體的認(rèn)識仍然屬于較為巨觀的瞭解，那時已經(jīng)介于這兩者之間的，就是半導(dǎo)體材料。英國科學(xué)家法拉第(MIChaelFaraday，1791~1867)，在電磁學(xué)方面擁有許多貢獻(xiàn)，但較不為人所知的，則是他在1833年發(fā)現(xiàn)的其中一種半導(dǎo)體材料：硫化銀，因?yàn)樗碾娮桦S著溫度上升而降低，當(dāng)時只覺得這件事有些奇特，并沒有激起太大的火花；然而，今天我們已經(jīng)知道，隨著溫度的提升，晶格震動越厲害，使得電阻增加，但對半導(dǎo)體而言，溫度上升使自由載子的濃度增加，反而有助于導(dǎo)電，這也是半導(dǎo)體一個非常重要的物理性質(zhì)。

1874年，德國的布勞恩(FerdinandBraun，1850~1918)，注意到硫化物的電導(dǎo)率與所加電壓的方向有關(guān)，這就是半導(dǎo)體的整流作用。

在整流理論方面，德國的蕭特基(WalterSchottky，1886~1976)在1939年，于「德國物理學(xué)報」發(fā)表了一篇有關(guān)整流理論的重要論文，做了許多推論，他認(rèn)為金屬與半導(dǎo)體間有能障(potentialbarrier)的存在，其主要貢獻(xiàn)就在于精確計(jì)算出這個能障的形狀與寬度。首次報道半導(dǎo)體伏特A.Volta(1745~1827)，意大利物理學(xué)家國際單位制中,電壓的單位伏即為紀(jì)念他而命名。1800年，他發(fā)明了世界上第一個伏特電池，這是最早的直流電源。從此，人類對電的研究從靜電發(fā)展到流動電，開拓了電學(xué)的研究領(lǐng)域。他利用靜電計(jì)對不同材料接地放電，區(qū)分了金屬，絕緣體和導(dǎo)電性能介于它們之間的“半導(dǎo)體”。他在給倫敦皇家學(xué)會的一篇論文中首先使用了“Semiconductor”（半導(dǎo)體）一詞。半導(dǎo)體的特有性質(zhì)－負(fù)電阻溫度系數(shù)法拉第M.Faraday(1791~1867)，英國物理學(xué)家、化學(xué)家，現(xiàn)代電工科學(xué)的奠基者之一。電容的單位法（拉）即為紀(jì)念他而命名。法拉第發(fā)明了第一臺電動機(jī)，另外法拉第的電磁感應(yīng)定律是他的一項(xiàng)最偉大的貢獻(xiàn)。1833年，法拉第就開始研究Ag2S半導(dǎo)體材料，發(fā)現(xiàn)了負(fù)的電阻溫度系數(shù)，即隨著溫度的升高，電阻值下降。負(fù)電阻溫度系數(shù)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之一。正、負(fù)電阻溫度系數(shù)負(fù)電阻溫度系數(shù)正電阻溫度系數(shù)RRTT半導(dǎo)體的特有性質(zhì)－光電導(dǎo)效應(yīng)1873年，英國史密斯W.R.Smith用光照在硒的表面，發(fā)現(xiàn)了硒的光電導(dǎo)效應(yīng)，它開創(chuàng)了半導(dǎo)體研究和開發(fā)的先河。所謂光電導(dǎo)效應(yīng)，是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象。光電導(dǎo)探測器在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域有廣泛用途。光電導(dǎo)效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之二。照片光電導(dǎo)示意圖半導(dǎo)體的特有性質(zhì)－整流效應(yīng)布勞恩K.F.Braun(1850~1918)，德國物理學(xué)家。布勞恩與馬可尼共同獲得1909年度諾貝爾獎金物理學(xué)獎。1874年，他觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場的方向有關(guān)，在它兩端加一個正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)通，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)。整流效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之三照片伏安特性I電流V電壓0正向反向半導(dǎo)體特有性質(zhì)－光生伏特效應(yīng)1876年，英國物理學(xué)家亞當(dāng)斯(W.G.Adams)發(fā)現(xiàn)晶體硒和金屬接觸在光照射下產(chǎn)生了電動勢，這就是半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)最重要的應(yīng)用就是把太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，稱為太陽能電池。1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了世界上第一個實(shí)用的太陽能電池，效率為4%。光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之四。照片光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體的特有性質(zhì)－霍爾效應(yīng)1879年，霍爾(E.H.Hall)

在研究通有電流的導(dǎo)體在磁場中受力，發(fā)現(xiàn)在垂直于磁場和電流的方向上產(chǎn)生了電動勢，這個電磁效應(yīng)稱為“霍爾效應(yīng)”?！盎魻栃?yīng)”就是為紀(jì)念霍爾而命名的。利用“霍爾效應(yīng)”可以測量半導(dǎo)體材料的載流子濃度、遷移率、電阻率、霍爾系數(shù)等重要參數(shù)?；魻栃?yīng)是半導(dǎo)體材料的特有性質(zhì)之五。照片霍爾效應(yīng)示意圖BZIxvfBP型半導(dǎo)體薄片：長度為L，寬度為b，厚度為d磁場方向(z方向）與薄片垂直，電流方向?yàn)閤方向LbdfExyz半導(dǎo)體發(fā)展的限制在1880年就發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體材料的五大特性：

整流效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、負(fù)電阻溫度效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和霍爾效應(yīng)但半導(dǎo)體科學(xué)卻沒有取得迅猛的發(fā)展，主要原因在于：1.半導(dǎo)體材料的不純

2.半導(dǎo)體物理理論的不完善半導(dǎo)體的分類

半導(dǎo)體材料可按化學(xué)組成來分，再將結(jié)構(gòu)與性能比較特殊的非晶態(tài)與液態(tài)半導(dǎo)體單獨(dú)列為一類。按照這樣分類方法可將半導(dǎo)體材料分為元素半導(dǎo)體、無機(jī)化合物半導(dǎo)體、有機(jī)化合物半導(dǎo)體和非晶態(tài)與液態(tài)半導(dǎo)體。

元素半導(dǎo)體

在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布著11種具有半導(dǎo)性半導(dǎo)體材料的元素，下表中即這11種元素半導(dǎo)體,其中C表示金剛石。C、P、Se具有絕緣體與半導(dǎo)體兩種形態(tài);B、Si、Ge、Te具有半導(dǎo)性；Sn、As、Sb具有半導(dǎo)體與金屬兩種形態(tài)。P的熔點(diǎn)與沸點(diǎn)太低,Ⅰ的蒸汽壓太高、容易分解，所以它們的實(shí)用價值不大。As、Sb、Sn的穩(wěn)定態(tài)是金屬，半導(dǎo)體是不穩(wěn)定的形態(tài)。B、C、Te也因制備工藝上的困難和性能方面的局限性而尚未被利用。因此這11種元素半導(dǎo)體中只有Ge、Si、Se3種元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半導(dǎo)體材料中應(yīng)用最廣的兩種材料。無機(jī)化合物半導(dǎo)體

分二元系、三元系、四元系等。二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有閃鋅礦的結(jié)構(gòu)。②Ⅲ-Ⅴ族:由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb組成，典型的代表為GaAs。它們都具有閃鋅礦結(jié)構(gòu),它們在應(yīng)用方面僅次于Ge、Si,有很大的發(fā)展前途。③Ⅱ-Ⅵ族:Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要的光電材料。ZnS、CdTe、HgTe具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的化合物，其中CuBr、CuI具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物具有的形式,如Bi2Te3、Bi2Se3、Bi2S3、As2Te3等是重要的溫差電材料。⑥第四周期中的B族和過渡族元素Cu、Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni的氧化物,為主要的熱敏電阻材料。⑦某些稀土族元素Sc、Y、Sm、Eu、Yb、Tm與Ⅴ族元素N、As或Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物。除這些二元系化合物外還有它們與元素或它們之間的固溶體半導(dǎo)體，例如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究這些固溶體可以在改善單一材料的某些性能或開辟新的應(yīng)用范圍方面起很大作用。三元系包括：族:這是由一個Ⅱ族和一個Ⅳ族原子去替代Ⅲ－Ⅴ族中兩個Ⅲ族原子所構(gòu)成的。例如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等。族：這是由一個Ⅰ族和一個Ⅲ族原子去替代Ⅱ-Ⅵ族中兩個Ⅱ族原子所構(gòu)成的,如CuGaSe2、AgInTe2、AgTlTe2、CuInSe2、CuAlS2等。：這是由一個Ⅰ族和一個Ⅴ族原子去替代族中兩個Ⅲ族原子所組成,如Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4等。此外，還有它的結(jié)構(gòu)基本為閃鋅礦的四元系（例如Cu2FeSnS4）和更復(fù)雜的無機(jī)化合物。有機(jī)化合物半導(dǎo)體

已知的有機(jī)半導(dǎo)體有幾十種，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，它們作為半導(dǎo)體尚未得到應(yīng)用。非晶態(tài)與液態(tài)半導(dǎo)體

這類半導(dǎo)體與晶態(tài)半導(dǎo)體的最大區(qū)別是不具有嚴(yán)格周期性排列的晶體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢

相對于半導(dǎo)體設(shè)備市場，半導(dǎo)體材料市場長期處于配角的位置，但隨著芯片出貨量增長，材料市場將保持持續(xù)增長，并開始擺脫浮華的設(shè)備市場所帶來的陰影。發(fā)展趨勢之一第一代半導(dǎo)體材料，元素半導(dǎo)體材料，以Si和Ge為代表;Si：Eg=1.12eV第二代半導(dǎo)體材料，化合物半導(dǎo)體材料，以GaAs，InP等材料為代表;

GaAs：Eg=1.46eV第三代半導(dǎo)體材料，化合物半導(dǎo)體材料，以GaN，SiC，ZnO等材料為代表;

GaN:Eg=3.3eV發(fā)展趨勢之二半導(dǎo)體材料另一發(fā)展趨勢是：由三維體材料向薄膜、兩維超晶格量子阱、一維量子線和零維量子點(diǎn)材料方向發(fā)展。維度是一個空間的概念，長、高和寬是三個空間的維度。三維體材料：電子在其中可以自由運(yùn)動而不