半导体材料

半导体材料

提起半导体，人们都习惯性想到那小巧玲珑的晶体管收音机。其实这仅仅是半导体应用中一个很小的方面，如今，它已渗透到人类生产、科研和各个家庭。从小小电子表到大型电子计算机；从家庭电视到自动化仪器；从电子秤到数控机床……形形色色的现代化电子设备都离不开半导体材料。

半导体材料实际上是指锗、硅、砷化镓一类材料。因为它们的导电性介于金属和非金属之间，所以称为半导体。由于半导体的微观结构是按一定规则排列的晶体结构，因此半导体管也叫晶体管。

锗是一种浅灰色金属，质地坚硬，自然界蕴藏量很少，地壳中的含量只占有万分之七，被称为稀散金属。硅和锗不同，到处都有它的踪迹，在地壳中，除了氧以外它是含量最多的，例如砂子中就含有二氧化硅。由于硅的半导体特性必须在很高的纯度下才能显示出来，同时提纯技术又很复杂，因此，一直到20世纪50年代硅单晶材料才问世，硅的应用到20世纪70年代得到发展。而现在，它已遍及各个技术领域，显得再平常不过了。

半导体材料的导电性能，在不同的温度、光照、杂质等条件下会灵敏地发生变化。正因为半导体这一非凡的“本领”，才使得它能够在技术上大显神通。例如，利用半导体对温度十分敏感的特性，制成自动化装置中常用的热敏电阻，可以测出万分之一度的温度变化。

半导体中微量的杂质，就可以使它的导电性能发生显著变化，就这一点点杂质，又使半导体大有用场。例如在一块纯硅中掺入百万分之一的杂质元素，会使它的电阻降低100万倍。

半导体器件与电子管或其他电子器件比较，它的优点是体积小、重量轻、安全可靠、寿命长、省电、效率高、成本低。晶体管的平均寿命比电子管长100～1000倍，可靠性高100倍，可称“半永久性器件”。晶体管最显著的特点是体积小。因为电子器件的体积越大，遭受损坏和出现故障的机会也越多；另一方面，元件和器件的高频性能，与它们的尺寸密切相关。电子器件的体积越小，高频率工作特性也就越好，而现代无线电、电子技术多在短波、超短波、微波等高频和超高频范围内工作，这也就是晶体管和集成电路得到迅速发展的原因所在。集成电路使电子设备向微小型发展产生了一次飞跃。实践表明：集成电路的可靠性要比分立元件电路高100倍左右，大规模集成电路又比一般集成电路高出100倍以上。

集成电路主要是由许多集成块组成的，集成块是在平面晶体管技术的基础上，把晶体管、电阻及电容等都做在一小块半导体材料上，组成不能拆换的整体，代替传统的分散元件。集成块的功能和原电路的晶体管、电阻和电容的功能是相同的。

目前，制造集成电路的硅单晶材料的纯度已经很高，它为超大规模集成电路的发展提供了有利条件。在一块几毫米见方的小硅片上，制作几十万个晶体管等元件，就可以构成超大规模的集成电路。

现在电子技术发展的两大主流是集成电路技术和电子计算机。超大规模集成电路的应用，大大加快了电子计算机的发展速度。

生产力的不断发展，使我们进入了信息时代。其主要特征是用电子计算机把信息、电子计算机的智能与机器系统紧密结合起来，来代替人的体力劳动和一大部分脑力劳动。其实，智能机器人的内部结构正是集半导体材料和功能材料之大成，其“大脑”是电子计算机，“眼睛”是电子摄像机，“耳”和“嘴”是电子拾音和放音系统，“鼻子”是嗅敏仪，四肢的指（趾）端是能够产生调制的红外光感觉（触觉）传感器。也就是说智能机器人具有和人主要器官对应的模拟器官，因而能够像人一样，感觉外界信息并加工处理这些信息，最后作出行动反应。

电子计算机和智能机器人不但可以模拟人的感觉和思维，把人们从大量、繁重、简单的劳动中解放出来，大大提高生产和工作效率，而且还可以逾越人体机能的限制，在存贮、计算、逻辑判断、程序控制和自动化等方面，完成人难以承担的繁重工作，为我们提供崭新的生产手段和管理方法。