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(dǎo)體及其應(yīng)用(備課資料).doc

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(dǎo)體及其應(yīng)用(備課資料)在20世紀(jì)的100年中，物理學(xué)的研究有了飛速的發(fā)展.世紀(jì)初相對論和量子力學(xué)兩大現(xiàn)代物理學(xué)支柱的建立，對物理學(xué)乃至整個自然科學(xué)的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ).激光科學(xué)、核科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)等學(xué)科的發(fā)展無不與現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展密切相關(guān).就半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)而言，它以現(xiàn)代物理學(xué)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(jī)，50多年來半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)的迅速發(fā)展對全球的技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)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(dǎo)體技術(shù)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(shè)備，才有了Internet和Web，才有了當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展.可以說半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展緊密相關(guān)，它成為20世紀(jì)中后期發(fā)展最迅速、運(yùn)用最廣泛、影響最深遠(yuǎn)的一項(xiàng)高新技術(shù)，充分體現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)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(jì)念的日子，這一天第一只晶體管誕生在美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體晶體管逐步取代電子管，使科學(xué)技術(shù)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(shí)面前，尋找更好的電子器件來彌補(bǔ)電子管的不足擺到了重要的地位.在這種背景下，半導(dǎo)體的作用開始凸現(xiàn)，在研究新的半導(dǎo)體電子器件的工作中，美國物理學(xué)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(jì)30年代就曾指出：只有通過研究半導(dǎo)體，以半導(dǎo)體作為新的電子器件的材料，才有可能實(shí)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(dǎo)體上成功地實(shí)現(xiàn)了電流放大，這是第一只半導(dǎo)體晶體管.1949年肖克利提出PN結(jié)理論，1950年試制出第一只PN結(jié)晶體管.從而開辟了電子器件的新紀(jì)元.1956年12月10日，發(fā)明晶體管的三位美國科學(xué)家肖克利、巴丁和布拉頓被授予諾貝爾物理學(xué)獎，他們是當(dāng)之無愧的.2.從分列半導(dǎo)體元件到超大規(guī)模集成電路現(xiàn)代電子學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)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(guān)鍵性事件導(dǎo)致了電子技術(shù)革命.半導(dǎo)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(dǎo)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(rèn)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1001000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103105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(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和集成電路技術(shù)融合在一起，使整臺計(jì)算機(jī)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(dāng)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(xué)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(dǎo)體鍺片上的電路取得成功，稱為“相移振蕩器”.這是半導(dǎo)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(xiàn)而成為xx年諾貝爾物理學(xué)獎得主.集成電路和微處理機(jī)的出現(xiàn)不僅深刻地改變了電子技術(shù)的面貌和原有設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，而且成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)之一.集成電路向功能越來越大的方向發(fā)展.使整機(jī)、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(jī)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(xué)三者結(jié)合的新領(lǐng)域微電子學(xué).30多年來，摩爾定律已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)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(shù)進(jìn)步不斷沖擊著計(jì)算機(jī)工業(yè)：晶體管越做越小，芯片性能越來越高，計(jì)算能力呈指數(shù)性增長.英特爾科學(xué)家保羅提出現(xiàn)有晶體管模式及技術(shù)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(shù)對于芯片小型化將變得至關(guān)重要.3.從第一代半導(dǎo)體材料到第三代半導(dǎo)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(dǎo)體材料.目前使用的半導(dǎo)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(guān)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17 m紅外透過率高達(dá)90%95%這一特征，制作紅外聚焦透鏡，用以對紅外輻射目標(biāo)進(jìn)行跟蹤、照相等.另外非晶半導(dǎo)體如非晶硅（Si)和非晶鍺（Ge)，也有重要的用途，一個重要應(yīng)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(shù)中商品化器件的基礎(chǔ).1990年美國皇家信號和雷達(dá)研究院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，將單晶硅在電化學(xué)腐蝕液中進(jìn)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(lán)的各種可見光.多孔硅具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及光學(xué)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(jìn)作用.多孔硅光發(fā)射的高效、均勻、多色和室溫工作等特點(diǎn)，使它在顯示技術(shù)和超高速信號處理技術(shù)中具有潛在應(yīng)用價值.它的發(fā)展有可能導(dǎo)致全硅的光電子電路的實(shí)現(xiàn)，對原來統(tǒng)治著光電器件領(lǐng)域的族和族半導(dǎo)體材料提出強(qiáng)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(jì)算機(jī)的體積和提高速度.有人甚至預(yù)言，將來有可能將超級計(jì)算機(jī)做成只有鞋盒大小.砷化鎵是一種族化合物，它的特性比較全面，是具有多方面優(yōu)點(diǎn)的半導(dǎo)體材料.以它為基礎(chǔ)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(dǎo)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(yīng)管是具有廣泛用途的半導(dǎo)體器件.在訊號顯示、計(jì)算機(jī)開關(guān)、光通訊、微波功率器件、AD轉(zhuǎn)換等許多領(lǐng)域均依靠高性能砷化鎵的半導(dǎo)體材料.而第三代的半導(dǎo)體材料將是氮化鎵家族.以氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料是目前世界上最先進(jìn)的半導(dǎo)體材料，也是新興半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心材料和基礎(chǔ)器件，有“IT產(chǎn)業(yè)發(fā)動機(jī)”之稱.第三代半導(dǎo)體材料的興起，是以氮化鎵材料P型摻雜的突破為起點(diǎn)，以高效率藍(lán)綠光發(fā)光二極管和藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的研制成功為標(biāo)志.它將在光顯示、光存儲、光照明等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景.比如用高效率藍(lán)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(lǐng)域也占有相當(dāng)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510倍.達(dá)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(lán)光半導(dǎo)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(diǎn)也保證了它在高溫、大功率以及紫外光探測器等半導(dǎo)體器件的應(yīng)用前景.它具有高可靠性、高效率、快速響應(yīng)、長壽命、全固體化、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在宇宙飛船、火箭探測、大氣探測等領(lǐng)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(dǎo)體材料，到xx年將達(dá)到30億美元的產(chǎn)值，占化合物半導(dǎo)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(jìn)上千億美元相關(guān)設(shè)備、系統(tǒng)的新產(chǎn)業(yè)的形成.4.半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)給我們時代帶來的進(jìn)步和21世紀(jì)面臨的挑戰(zhàn)可以設(shè)想：若沒有現(xiàn)代晶體管，不可能有今日的計(jì)算機(jī)和遍布全球的因特網(wǎng).因?yàn)?，如果采用電子管制造的簡單?jì)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(dǎo)體存儲器，便沒有動人心弦的航天飛行、登月計(jì)劃、火星探險，便沒有20世紀(jì)后半葉滄桑巨變.貝爾實(shí)驗(yàn)室前總裁伊恩羅斯把現(xiàn)代社會稱為硅時代，這是因?yàn)殡娮訒r代、信息時代的原動力來自硅晶體管.微電子學(xué)與材料、電子、醫(yī)學(xué)、生物、通訊、計(jì)算機(jī)等學(xué)科密切相關(guān)，應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各部門，促進(jìn)了信息革命和信息社會的到來.它與其他學(xué)科相互滲透和結(jié)合，形成了許多新的交叉學(xué)科領(lǐng)域.微電子學(xué)跟光學(xué)結(jié)合而產(chǎn)生光集成電子學(xué)，光集成電路技術(shù)已成為現(xiàn)代光通信的關(guān)鍵技術(shù)之一.微電子學(xué)跟超導(dǎo)學(xué)科相結(jié)合而出現(xiàn)類似于硅數(shù)字集成電路片的超導(dǎo)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(xué)家正在納米尺度的領(lǐng)域中研究微電子學(xué)，新的納米級存儲器芯片已投入生產(chǎn)，計(jì)算機(jī)在普遍采用納米技術(shù)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(diǎn).INTEL公司研究人員已經(jīng)開發(fā)出當(dāng)今世界最小最快的互補(bǔ)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(yùn)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(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)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(dá)到它發(fā)展的基本極限.能否實(shí)現(xiàn)微電子技術(shù)下一步的突破被看做21世紀(jì)初期要面對的最重大的科學(xué)問題之一.如果能從物理原理上突破目前半導(dǎo)體器件的工作原理而得到全新的器件，那么實(shí)現(xiàn)這種突破的基礎(chǔ)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(yùn)輸過程.電子和光子一樣具有波粒二象性.當(dāng)電子元件線寬小于0.1 m時就必須考慮量子效應(yīng)，利用量子效應(yīng)設(shè)計(jì)的各種新型電子元件稱為量子元件.量子元件在響應(yīng)速度和降低電力消耗上與經(jīng)典的硅和砷化鎵等半導(dǎo)體元件相比，高出了1000倍.另外為了突破目前通用計(jì)算機(jī)的經(jīng)典極限，近年來人們提出了研究和制作量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想.量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲和處理量子信息的物理裝置.它由相應(yīng)的量子硬件所組成，包括量子位、量子門和量子導(dǎo)線.目前最基本的量子邏輯運(yùn)算已經(jīng)在一些物理實(shí)驗(yàn)中被驗(yàn)證，從總的發(fā)展來看，利用相互作用量子點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)量子位和量子門被認(rèn)為是最有希望能夠?qū)嵱没?這是因?yàn)榘雽?dǎo)體量子點(diǎn)可以與現(xiàn)有的硅基微電子技術(shù)相集成，與現(xiàn)有的微電子技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ).另一方面，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)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(shù)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(dá)到25 nm.這就對硅材料的科學(xué)和技術(shù)進(jìn)步提出了更嚴(yán)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(dǎo)體材料的研究方面而言，在21世紀(jì)將集中于寬禁帶半導(dǎo)體、量子信息與低維半導(dǎo)體物理、納米半導(dǎo)體等熱點(diǎn)問題，因?yàn)檫@些新的半導(dǎo)體材料的研究和開發(fā)對制備新型半導(dǎo)體器件極為重要.