硅光技术能否促成光电子和微电子的融合？

微电子芯片的发展遵循摩尔定律，其性能就会翻倍，获得更高的信息处理性能和更大的集成度。由于物理、技术和经济等方面的限制，微电子芯片的小型化周期逐渐放缓，微电子技术可能从目前的5nm工艺节点升级到2～3nm节点。在2～3nm范围内可容纳的原子数少于15个。由于量子效应影响的加剧，晶体管的可靠性显著提高，严重阻碍了微电子技术的进一步发展，硅光技术能促成光电子和微电子融合。

随着先进系统的进一步升级，3D存储技术迫切需要越来越高的传输速度。传统的电子信息互连结构主要是通过铜介质的电子传导来实现的。这种结构的信息传输速度和距离受到RC时间常数和电损耗的限制。信息光电芯片作为通信系统的心脏，硅基光电集成技术是信息光电子领域中集成光电子和微电子的新兴技术。采用大规模集成电路技术中成熟的CMOS工艺制造光学器件。

建立和完善硅光产业链是中国占领全球信息通信价值链顶端的“关键举措”。能够有效提升中国信息光电子制造能力，对于缓解中国信息通信高端光电子芯片的“瓶颈”，推动“数字中国”和“两个强国”建设具有重要意义。中国通信学会与国家信息光电子创新中心合作，成功入选2020年中国科学技术协会十大工程技术问题之一。在中国科学技术协会第22届年会闭幕式上，中国科学技术协会在全球正式发布了该报告。中国通信学会与国家信息光电子创新中心等单位组织专家讨论并完善了，本报告系统介绍了硅光学技术的诞生背景、技术定义和特点、国内外发展现状。针对微电子与光电子集成的技术问题和挑战，提出了硅光芯片技术的发展趋势预测。

中科院半导体所2022年度“科创计划”项目已经开始申请，我在系统中提交了三个题目：1硅光探测器与激光器的设计与优化 2 机器学习与半导体光电子器件 3 光电子仿真平台开发。我同事提交的题目：1 智能检测机器人 2 可穿戴电子 3 新型生化传感器 。有兴趣的可以报名，也可以直接联系我，咨询详细的情况。联系方式：微信同手机号：15652189835。我同事手机号：19901209106。科创计划的实际通知如下：

一、资助方式及资助对象

“科创计划”以科研项目的形式进行资助，项目执行期一般为6-12个月。

资助全国高校二年级或三年级本科学生。申请者需要具有一定的创新意识和科研探索精神，具有浓厚科研兴趣和扎实的基础理论知识。

二、项目开展程序

（一）学生网上填报项目申请

有意向的学生在与项目指导教师充分沟通后，登录中国科学院大学科教结合协同育人行动计划（http://kjxt.ucas.ac.cn/index.php/zh/），选择科创计划进行注册，然后在网上进行项目填报，请注意随时保存信息。全部填报完毕并确认无误后，点击提交，下载并打印申请表，请学籍所在学校（或学院）签字盖章后于2022年6月17日前寄至半导体所研究生部。

注意：

1.项目申请学生需要获得学籍所在学校（或学院）的同意。

2.学生递交研究所的签字盖章后项目申请表需要与网上保存提交的申请表版本完全一致。

3.项目申请指南和系统使用说明在系统登录后可查询。

（二）研究所审核与立项

研究所主管部门收到学生报送的纸质版《科创项目申请表》，联系相关指导教师进行审核并签字确认。

研究生部将组织专家进行评审，并在科教协同系统的科创计划内填报项目执行期限和项目经费额度，完成项目审核立项。

系统维护项目立项信息后，学生将自动收到项目立项的邮件通知，同时学生也可在系统中查询到立项信息。

（三）项目结题总结

学生在项目完成1个月内，需要在科教结合协同育人行动计划科创计划内登录原报名账号提交项目总结，并打印自动生成项目总结。签字后报指导教师审核签字，研究生部签署意见后归档

（1）热敏性 半导体材料的电阻率与温度有密切的关系。温度升高，半导体的电阻率会明显变小。例如纯锗（Ge），温度每升高10度，其电阻率就会减少到原来的一半。

（2）光电特性 很多半导体材料对光十分敏感，无光照时，不易导电；受到光照时，就变的容易导电了。例如，常用的硫化镉半导体光敏电阻，在无光照时电阻高达几十兆欧，受到光照时电阻会减小到几十千欧。半导体受光照后电阻明显变小的现象称为“光导电”。利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等。

近年来广泛使用着一种半导体发光器件--发光二极管，它通过电流时能够发光，把电能直接转成光能。目前已制作出发黄，绿，红，蓝几色的发光二极管，以及发出不可见光红外线的发光二极管。

另一种常见的光电转换器件是硅光电池，它可以把光能直接转换成电能，是一种方便的而清洁的能源。

（3）搀杂特性 纯净的半导体材料电阻率很高，但掺入极微量的“杂质”元素后，其导电能力会发生极为显著的变化。例如，纯硅的电阻率为214×1000欧姆/厘米，若掺入百万分之一的硼元素，电阻率就会减小到0.4欧姆/厘米。因此，人们可以给半导体掺入微量的某种特定的杂质元素，精确控制它的导电能力，用以制作各种各样的半导体器件

半导体的导电性能比导体差而比绝缘体强。实际上，半导体与导体、绝缘体的区别在不仅在于导电能力的不同，更重要的是半导体具有独特的性能（特性）。

1． 在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质，半导体的导电性能就会成百万倍的增加—-这是半导体最显著、最突出的特性。例如，晶体管就是利用这种特性制成的。

2． 当环境温度升高一些时，半导体的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时，半导体的导电能力就显著地下降。这种特性称为“热敏”，热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的。

3． 当有光线照射在某些半导体时，这些半导体就像导体一样，导电能力很强；当没有光线照射时，这些半导体就像绝缘体一样不导电，这种特性称为“光敏”。例如，用作自动化控制用的“光电二极管”、“光电三极管”和光敏电阻等，就是利用半导体的光敏特性制成的。

由此可见，温度和光照对晶体管的影响很大。因此，晶体管不能放在高温和强烈的光照环境中。在晶体管表面涂上一层黑漆也是为了防止光照对它的影响。最后，明确一个基本概验：所谓半导体材料，是一种晶体结构的材料，故“半导体”又叫“晶体”。

P性半导体和N型半导体----前面讲过，在纯净的半导体中加入一定类型的微量杂质，能使半导体的导电能力成百万倍的增加。加入了杂质的半导体可以分为两种类型：一种杂质加到半导体中去后，在半导体中会产生大量的带负电荷的自由电子，这种半导体叫做“N型半导体”（也叫“电子型半导体”）；另一种杂质加到半导体中后，会产生大量带正电荷的“空穴”，这种半导体叫“P型半导体”（也叫“空穴型半导体”）。例如，在纯净的半导体锗中，加入微量的杂质锑，就能形成N型半导体。同样，如果在纯净的锗中，加入微量的杂质铟，就形成P型半导体。

一个PN结构成晶体二极管----设法把P型半导体（有大量的带正电荷的空穴）和N型半导体（有大量的带负电荷的自由电子）结合在一起，见图1所示。

图1

在P型半导体的N型半导体相结合的地方，就会形成一个特殊的薄层，这个特殊的薄层就叫“PN结”。晶体二极管实际上就是由一个PN结构成的（见图1）。

例如，收音机中应用的晶体二极管，其触丝（即触针）部分相当于P型半导体，N型锗片就是N型半导体，他们之间的接触面就是PN结。P端（或P端引出线）叫晶体二极管的正端（也称正极）。N端（或N端引出线）叫晶体二极管的负端（也称负极）。

如果像图2那样，把正端连接电池的正极，把负端接电池的负极，这是PN结的电阻值就小到只有几百欧姆了。因此，通过PN结的电流（I=U/R）就很大。这样的连接方法（图2a）叫“正向连接”。正向连接时，晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“正向电压”；处在正向电压下，二极管（或PN结）的电阻叫“正向电阻”，在正向电压下，通过二极管（或PN结）的电流叫“正向电流”。很明显，因为晶体二极管的正向电阻很小（几百欧姆），在一定正向电压下，正向电流（I=U/R）就会很大----这表明在正向电压下，二极管（或PN结）具有像导体一样的导电本领。

图2a 图2b

反过来，如果把P端接到电池的负极，N端接到电池的正极（见图2b）。这时PN结的电阻很大（大到几百千殴），电流（I=U/R）几乎不能通过二极管，或者说通过的电流很微弱。这样的连接方法叫“反向连接”。反向连接时，晶体管二极管（或PN结）两端承受的电压叫“反向电压”；处在反向电压下，二极管（或PN结）的电阻叫“反向电阻”，在反向电压下，通过二极管（或PN结）的电流叫“反向电流”。显然，因为晶体二极管的正向电阻很大（几百千欧姆），在一定的反向电压下，正向电流（I=U/R）就会很小，甚至可以忽略不计，----这表明在一定的反向电压下，二极管（或PN结）几乎不导电。

上叙实验说明这样一个结论：晶体二极管（或PN结）具有单向导电特性。

晶体二极管用字母“D”代表，在电路中常用图3的符号表示，即表示电流（正电荷）只能顺着箭头方向流动，而不能逆着箭头方向流动。图3是常用的晶体二极管的外形及符号。

图3

利用二极管的单向导电性可以用来整流（将交流电变成直流电）和检波（从高频或中频电信号取出音频信号）以及变频（如把高频变成固定的中频465千周）等。

PN结的极间电容----PN结的P型和N型两快半导体之间构成一个电容量很小的电容，叫做“极间电容”（如图4所示）。由于电容抗随频率的增高而减小。所以，PN结工作于高频时，高频信号容易被极间电容或反馈而影响PN结的工作。但在直流或低频下工作时，极间电容对直流和低频的阻抗很大，故一般不会影响PN结的工作性能。PN结的面积越大，极间电容量越大，影响也约大，这就是面接触型二极管（如整流二极管）和低频三极管不能用于高频工作的原因

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