大学半导体物理学论文课题有哪些

半导体物理迅速发展及随晶体管发明使科家早50代设想发明半导体激光器60代早期组竞相进行面研究理论析面莫斯科列别捷夫物理研究所尼古拉·巴索夫工作杰19627月召固体器件研究际议美麻省理工院林肯实验室两名者克耶斯（Keyes）奎斯特（Quist）报告砷化镓材料光发射现象引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）极兴趣家火车写关数据家哈尔立即制定研制半导体激光器计划并与其研究员道经数周奋斗计划获功像晶体二极管半导体激光器材料p-n结特性敞弗搬煌植号邦铜鲍扩基础且外观亦与前者类似半导体激光器称二极管激光器或激光二极管早期激光二极管实际限制例能77K低温微秒脉冲工作8间才由贝尔实验室列宁格勒（现圣彼堡）约飞（Ioffe）物理研究所制造能室温工作连续器件足够靠半导体激光器则直70代期才现半导体激光器体积非米粒工作波依赖于激光材料般0.6～1.55微米由于种应用需要更短波器件发展据报导Ⅱ～Ⅳ价元素化合物ZnSe工作物质激光器低温已0.46微米输波0.50～0.51微米室温连续器件输功率已达10毫瓦迄今尚未实现商品化光纤通信半导体激光预见重要应用领域面世界范围远距离海底光纤通信另面则各种区网者包括高速计算机网、航空电系统、卫通讯网、高清晰度闭路电视网等目前言激光唱机类器件市场其应用包括高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示及各种医疗应用等晶体管利用种称半导体材料特殊性能电流由运电承载普通金属铜电导体电没紧密原核相连容易电荷吸引其物体例橡胶绝缘体 --电良导体--电能自由运半导体名字暗示处于两者间通情况象绝缘体某种条件导电

半导体激光器解析

半导体物理学的迅速发展及随之而来的晶体管的发明，使科学家们早在50年代就设想发明半导体激光器，60年代早期，很多小组竞相进行这方面的研究。在理论分析方面，以莫斯科列别捷夫物理研究所的尼古拉·巴索夫的工作最为杰出。在1962年7月召开的固体器件研究国际会议上，美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（Keyes）和奎斯特（Quist）报告了砷化镓材料的光发射现象，这引起通用电气研究实验室工程师哈尔（Hall）的极大兴趣，在会后回家的火车上他写下了有关数据。回到家后，哈尔立即制定了研制半导体激光器的计划，并与其他研究人员一道，经数周奋斗，他们的计划获得成功。像晶体二极管一样，半导体激光器也以材料的p-n结特性为基础，且外观亦与前者类似，因此，半导体激光器常被称为二极管激光器或激光二极管。早期的激光二极管有很多实际限制，例如，只能在77K低温下以微秒脉冲工作，过了8年多时间，才由贝尔实验室和列宁格勒（现在的圣彼得堡）约飞（Ioffe）物理研究所制造出能在室温下工作的连续器件。而足够可靠的半导体激光器则直到70年代中期才出现。半导体激光器体积非常小，最小的只有米粒那样大。工作波长依赖于激光材料，一般为0.6～1.55微米，由于多种应用的需要，更短波长的器件在发展中。据报导，以Ⅱ～Ⅳ价元素的化合物，如ZnSe为工作物质的激光器，低温下已得到0.46微米的输出，而波长0.50～0.51微米的室温连续器件输出功率已达10毫瓦以上。但迄今尚未实现商品化。光纤通信是半导体激光可预见的最重要的应用领域，一方面是世界范围的远距离海底光纤通信，另一方面则是各种地区网。后者包括高速计算机网、航空电子系统、卫生通讯网、高清晰度闭路电视网等。但就目前而言，激光唱机是这类器件的最大市场。其他应用包括高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示，及各种医疗应用等。晶体管利用一种称为半导体的材料的特殊性能。电流由运动的电子承载。普通的金属，如铜是电的好导体，因为它们的电子没有紧密的和原子核相连，很容易被一个正电荷吸引。其它的物体，例如橡胶，是绝缘体 --电的不良导体--因为它们的电子不能自由运动。半导体，正如它们的名字暗示的那样，处于两者之间，它们通常情况下象绝缘体，但是在某种条件下会导电。对半导体的早期研究集中在硅上，但硅本身不能发射激光。1948年贝尔实验室的William Schockley，Walter Brattain 和 John Bardeen 发明的晶体管。这一发明推动了对其它半导体裁的研究发展进程。它也为利用半导体中的发射激光奠定了概念性基础。1952年，德国西门子公司的 Heinrich Welker指出周期表第III和第V列之间的元素合成的半导体对电子装置有潜在的用途。其中之一，砷化镓或GaAs，它在寻找一种有效的通讯激光中扮演了重要角色。对砷化镓（GaAs）的研究涉及到三个方面的研究：高纯度晶体的叠层成长的研究，对缺陷和掺杂剂（对一种纯物质添加杂质，以改变其性能）的研究以及对热化合物稳定性的影响的分析。有了这些研究成果，通用电器，IBM和麻省理工大学林肯实验室的研究小组在1962年研制出砷化镓（GaAs）激光发生器。但是有一个老问题始终悬而未决：过热。使用单一半导体，（通常是GaAs）的激光发生器效率不是很高。它们仍需大量的电来激发激光作用，而在正常的室温下，这些电很快就使它们过热。只有脉冲 *** 作才有可能避免过热（脉冲 *** 作：电路或设备在能源以脉冲方式提供时的工作方式），可是通过这种工作方式不能通讯传输。科学家们尝试了各种方法来驱热一例如把激光发生器放在其它好的热导体材料上，但是都没成功。然后在 1963年，克罗拉多大学的Herbert Kroemer提出了一种不同的的方式--制造一个由半导体"三明治"组成的激光发生器，即把一个薄薄的活跃层嵌在两条材料不同的板之间。把激光作用限制在薄的活跃层里只需要很少的电流，并会使热输出量保吃持在可控范围之内。这样一种激光发生器不是只靠象把奶酪夹在两片面包那样，简单地塞进一个活跃层就能制造出来的。半导体晶体中的原子以点阵的方式排列，由电子组成化学键。要想制造出一个在两个原子之间有必要电子键连接的多层半导体，这个装置必须是由一元半导体单元组成，我们称之为多层晶体。 1967年，贝尔实验室的研究员Morton Panish 和 Izuo Hayashi 提出了用GaAs的修改型--即其中几个铝原子代替一些镓，一种称为"掺杂"的过程-- 来创造一种合适的多层晶体的可能性的建议。这种修改型的化合物，AlGaAs, 的原子间隔和GaAs相差不到1000分之一。研究人员提出，把 AlGaAs种植在GaAs 薄层的任何一边，它都会把所有的激光作用限制在GaAs层内。在他们面前，还要有几年的工作，但是通向"不间断状态" 激光发生器-在室温下仍能持续工作的微型半导体装置-的大门已经敞开了。还有一个障碍：怎样发射跨过长距离的光信号。长波无线电波可以很容易穿透浓雾和大雨，在空气中自由传播，但是短波激光会被空气中的水蒸气和其它颗粒反射回来，以至于不是被分散就是被阻挡住。一个多雾的天气会使激光通讯联络终断，因此光需要一个类似于电话线的导管。

半导体射线探测器

最初约年研究核射线在晶体上作

用, 表明射线的存在引起导电现象。但是, 由

于测得的幅度小、存在极化现象以及缺乏合适

的材料, 很长时间以来阻碍用晶体作为粒子探

测器。就在这个时期, 气体探测器象电离室、

正比计数器、盖革计数器广泛地发展起来。

年, 范· 希尔顿首先较实际地讨论了

“ 传导计数器” 。在晶体

上沉积两个电极, 构成一种固体电离室。为分

离人射粒子产生的载流子, 须外加电压。许多

人试验了各种各样的晶体。范· 希尔顿和霍夫

施塔特研究了这类探测器的主要性质, 产生一

对电子一空穴对需要的平均能量, 对射线作用

的响应以及电荷收集时间。并看出这类探测器

有一系列优点由于有高的阻止能力, 人射粒

子的射程小硅能吸收质子, 而

质子在空气中射程为, 产生一对载

流子需要的能量比气体小十倍, 在产生载流子

的数目上有小的统计涨落, 又比气体计数器响

应快。但是, 尽管霍夫施塔特作了许多实验,

使用这种探侧器仍受一些限制, 像内极化效应

能减小外加电场和捕捉载流子, 造成电荷收集

上的偏差。为了避免捕捉载流子, 需外加一个

足够强的电场。结果, 在扩散一结, 或金属

半导体接触处形成一空间电荷区。该区称为耗

尽层。它具有不捕捉载流子的性质。因而, 核

射线人射到该区后, 产生电子一空穴载流子

对, 能自由地、迅速向电极移动, 最终被收

集。测得的脉冲高度正比于射线在耗尽层里的

能量损失。要制成具有这种耗尽层器件是在

年以后, 这与制成很纯、长寿命的半导体

材料有关。

麦克· 凯在贝尔电话实验室, 拉克· 霍罗威

茨在普杜厄大学首先发展了这类探测器。

年, 麦克· 凯用反偏锗二极管探测“ 。的粒

子, 并研究所产生的脉冲高度随所加偏压而

变。不久以后, 拉克· 霍罗威茨及其同事者测

量一尸结二极管对。的粒子, “ , 的刀

粒子的反应。麦克· 凯进行了类似的实验, 得

到计数率达, 以及产生一对空穴一电子对

需要的能量为土。。麦克· 凯还观察到,

加于硅、锗一结二极管的偏压接近击穿电压

时, 用一粒子轰击, 有载流子倍增现象。在普

杜厄大学, 西蒙注意到用粒子轰击金一锗二

极管时产生的脉冲。在此基础上, 迈耶证实脉

冲幅度正比于人射粒子的能量, 用有效面积为

二“ 的探测器, 测。的粒子, 得到的分

辨率为。艾拉佩蒂安茨研究了一结二极

管的性质, 载维斯首先制备了金一硅面垒型探

测器。

年以后, 许多人做了大量工作, 发表

了广泛的著作。沃尔特等人讨论金一锗面垒型

探测器的制备和性质, 制成有效面积为“ 的

探测器, 并用探测器, 工作在,

测洲的粒子, 分辨率为。迈耶完成一

系列锗、硅面垒型探测器的实验用粒子轰

击。年, 联合国和欧洲的一些实验室,

制备和研究这类探测器。在华盛顿、加丁林堡、

阿什维尔会议上发表一些成果。如一结和面

垒探测器的电学性质, 表面状态的影响, 减少

漏电流, 脉冲上升时间以及核物理应用等等。

这种探测器的发展还与相连的电子器件有很大

关系。因为, 要避免探测器的输出脉冲高度随

所加偏压而变, 需一种带电容反馈的电荷灵敏

放大器。加之, 探测器输出信号幅度很小, 必

需使用低噪声前置放大器, 以提高信噪比。为

一一满足上述两个条件, 一般用电子管或晶体管握

尔曼放大器, 线幅贡献为。在使用场效

应晶体管后, 进一步改善了分辨率。

为了扩大这种探测器的应用, 需增大有效

体积如吸收电子需厚硅。采用

一般工艺限制有效厚度, 用高阻硅、高反偏压

获得有效厚度约, 远远满足不了要求。因

此, 年, 佩尔提出一种新方法, 大

大推动这种探测器的发展。即在型半导体里

用施主杂质补偿受主杂质, 能获得一种电阻率

很高的材料虽然不是本征半导体。因为铿

容易电离, 铿离子又有高的迁移率, 就选铿作

为施主杂质。制备的工艺过程大致如下先把

铿扩散到型硅表面, 构成一结构, 加上反

向偏压, 并升温, 锉离

一

子向区漂移, 形成

一一结构, 有效厚度可达。这种探测器

很适于作转换电子分光器, 和多道幅度分析器

组合, 可研究短寿命发射, 但对卜射线的效

率低, 因硅的原子序数低。为克服这一

点, 采用锉漂移入锗的方法锗的原子序数为

。年, 弗莱克首先用型锗口,

按照佩尔方法, 制成半导体探测器,

铿漂移长度为, 测‘“ 、的的

射线, 得到半峰值宽度为

直到年以前, 所有的探测器都是平面

型, 有效体积受铿通过晶体截面积到“

和补偿厚度的限制获得补偿厚度约, 漂

移时间要个月, 因此, 有效体积大于到

” 是困难的。为克服这种缺点, 进一步发

展了同轴型探测器。年, 制成高分辨率大

体积同轴探测器。之后, 随着电子工

业的发展而迅速发展。有效体积一般可达几十

“ , 最大可达一百多“ , 很适于一、一射

线的探测。年以后广泛地用于各个部门。

最近几年, 半导体探测器在理论研究和实际应

用上都有很大发展。

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