半导体的制造工艺中的关键是什么?

半导体的制造工艺中的关键是什么?,第1张

(1)

硅的主要来源是石英砂(二氧化硅),硅元素和氧元素通过共价键连接在一起。因此需要将氧元素从二氧化硅中分离出来,换句话说就是要将硅还原出来,采用的方法是将二氧化硅和碳元素(可以用煤、焦炭和木屑等)一起在电弧炉中加热至2100°C左右,这时碳就会将硅还原出来。化学反应方程式为:SiO2 (s) + 2C (s) = Si (s) + 2CO (g)(吸热)

(2)

上一步骤中得到的硅中仍有大约2%的杂质,称为冶金级硅,其纯度与半导体工业要求的相差甚远,因此还需要进一步提纯。方法则是在流化床反应器中混合冶金级硅和氯化氢气体,最后得到沸点仅有31°C的三氯化硅。化学反应方程式为:Si (s) + 3HCl (g) = SiHCl3 (g) + H2 (g)(放热)

(3)

随后将三氯化硅和氢气的混合物蒸馏后再和加热到1100°C的硅棒一起通过气相沉积反应炉中,从而除去氢气,同时析出固态的硅,击碎后便成为块状多晶硅。这样就可以得到纯度为99.9999999%的硅,换句话说,也就是平均十亿个硅原子中才有一个杂质原子。

(4)

进行到目前为止,半导体硅晶体对于芯片制造来说还是太小,因此需要把块状多晶硅放入坩埚内加热到1440°C以再次熔化 。为了防止硅在高温下被氧化,坩埚会被抽成真空并注入惰性气体氩气。之后用纯度99.7%的钨丝悬挂硅晶种探入熔融硅中,晶体成长时,以2~20转/分钟的转速及3~10毫米/分钟的速率缓慢从熔液中拉出:

探入晶体“种子”

长出了所谓的“肩部”

长出了所谓的“身体”

这样一段时间之后就会得到一根纯度极高的硅晶棒,理论上最大直径可达45厘米,最大长度为3米。

以上所简述的硅晶棒制造方法被称为切克劳斯法(Czochralski process,也称为柴氏长晶法),此种方法因成本较低而被广泛采用,除此之外,还有V-布里奇曼法(Vertikalern Bridgman process)和浮动区法(floating zone process)都可以用来制造单晶硅。

来源:人民政协网

编者按:中国共产党领导中国人民走过了百年辉煌路程。面对西方国家的半导体技术封锁与市场垄断,怀抱实干兴邦、产业报国理想的正威集团,在董事局主席王文银的带领下,以改革开放最前沿的深圳为据点,积极响应党和国家号召,在“十四五”开局起步、全面建设 社会 主义现代化国家新征程启航之际,以永无止境的创新和勇攀 科技 高峰的魄力,铸造“中国芯”,誓为中国半导体事业闯出一条康庄大道。

6月29日,四川海特高新技术股份有限公司(以下简称“海特高新”)发布公告称,深圳正威金融控股有限公司(以下简称“正威金控”)已完成向海特高新旗下控股子公司成都海威华芯 科技 有限公司(以下简称“海威华芯”)增资12.88余亿元,其中6.19亿元计入注册资本。本次增资扩股完成后,正威金控持有海威华芯34.01%股权,成为海威华芯第一大股东,海特高新是其第二大股东,中国电子 科技 集团公司第二十九研究所是其第三大股东。

据了解,海威华芯是国内半导体行业中的佼佼者,公司拥有完整的技术团队、先进的GaAs集成电路制造技术和生产设备,其打造的“六英吋GaAs集成电路Foundry线”是国家支持的重点产业项目。如今海威华芯已建成国内第一条6英寸氮化镓半导体晶圆生产线,成功申请核心专利255项,获得授权171项,其中发明专利76项,具备氮化镓600片/月的晶圆制造能力,是国内六英吋砷化镓集成电路(GaAs MMIC)纯晶圆代工(Foundry)最专业的服务制造商之一。

正威金控是正威控股集团旗下控股子公司,是正威集团产业战略布局的资本运作平台,服务于正威集团实体产业,整合正威集团资源。正威集团是一家以新一代电子信息和新材料完整产业链为主导的高 科技 产业集团,2020年实现营业额逾7000亿元,目前位列世界500强企业排名第91名、中国民营企业500强第3名、中国制造业民营企业500强第2名。

正威集团多年深耕半导体产业,拥有全球一流的专家技术团队,近年已在硅基半导体、半导体封装材料、5G新材料和智能终端等多领域产业布局。此次正威增资扩股海威华芯,将整合正威电子信息产业集群、高端新材料产业供应链、专业智能制造能力等,以强大的资金、技术、人才、品牌等全方位优势,助力与海威华芯实现产业协同,聚焦第三代半导体关键核心技术和重大应用突破,在军品和民品领域为国家 科技 创新贡献力量。

目前,正威集团在A股市场已控股了一家上市公司九鼎新材。在正威集团战略投资海威华芯的背景下,九鼎新材董事会亦在公开披露的定期报告中明确表示:“公司将积极获取主要股东在产业布局上的大力支持,梳理优化老资产,并购整合新资产,研发实现新突破,在微波、电子信息新材料和功能材料为核心的相关多元化发展战略上实现有效突破”。对海威华芯的战略投资,势必成为正威集团全面发力第三代半导体产业的重要引擎。

第三代半导体发展风口已至

据了解,芯片是国家的“工业粮食”,是信息产业的核心,是所有整机设备的“心脏”。我国作为目前全球最大的半导体消费市场,国产芯片供给率却不到10%。而随着美国为首的西方国家进一步对中国半导体等高端 科技 领域的技术封锁,中国半导体行业本土化的大发展势在必行。相较于第一、二代半导体,被誉微电子产业“新发动机”的第三代半导体,已成为全球半导体技术和产业新竞争焦点,有望成为我国与当今技术领先国家减少差距、实现换道超车的新路径。

为发展中国半导体产业,国家近来先后印发了《重点新材料首批次应用示范指导目录》《能源技术创新“十三五”规划》等支持性政策文件,将SiC、GaN和AlN等第三代半导体材料纳入重点新材料目录,推动支持SiC等第三代半导体材料的制造及应用技术的突破。《国民经济和 社会 发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》也将“碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体发展”写入了“ 科技 前沿领域攻关”部分。在国家政策扶持以及新兴产业的推动下,目前国内第三代半导体产业链已经初步形成,第三代半导体行业的发展风口悄然而至。

政策支持有力推动了中国各地半导体产业快速发展,其中深圳尤为显著。今年3月, 科技 部正式批复支持广东省和江苏省建设国家第三代半导体技术创新中心,将第三代半导体技术“国字号”重器落地深圳和苏州,统筹全国优势力量为第三代半导体产业提供源头技术供给,推动我国第三代半导体产业创新能力整体跃升。作为国家建设 科技 和产业创新高地,深圳已然形成发展国家第三代半导体的沃土。据深圳市国民经济和 社会 发展十四五规划和二〇三五年远景目标纲要显示,到2025年以半导体产业为首的战略性新兴产业增加值将超过1.5万亿元,占整个GDP近40%。对于扎根深圳的正威集团来说,进一步增强了其发展半导体产业的信心和决心,也创造了更好、更快、更优的新发展机遇。

发挥企业推动创新创造生力军作用

作为全国政协委员,正威集团董事局主席王文银今年提交了关于“建立粤港澳大湾区集成电路产业大学”和“推动第三代半导体产业落地,打开成长空间”等提案,引发 社会 广泛关注。

据了解,正威集团早于2008年便开始进军半导体领域,成为国内早期一批 探索 半导体产业发展的企业之一,通过成功收购韩国三星五厂全部半导体设备,建立了正威半导体制造1.0版本。如今,经过十余年发展,正威半导体制造已达到3.0版本。未来,正威集团拟投资百亿元,持续在中国核心城市布局第三代半导体产业,并逐步打造集半导体材料、装备、工业软件、制造技术、封装技术、测试技术、系统集成技术、产品应用软件等全产业链于一体的发展模式,助推中国半导体事业换道超车。王文银表示,做好半导体事业要具备真正的工匠精神,需要凝聚各方的智慧与力量。作为新时代的企业家,应担负起创新、责任、担当,要有心系国家发展和民族复兴的大情怀和大格局。

“当前国家第三代半导体产业发展面临着产品开发与市场终端应用需求不匹配、产业链短时间暴发带来的人才与资金压力、全国各地项目无序发展等问题。”王文银认为,“国家应从顶层设计入手,合理配置半导体领域资源,扶持和发展一批优秀企业,聚焦成熟产品,攻关关键技术,实现从跟跑到领跑。”

当前,伴随着第三代半导体行业的触角向大数据、物联网、人工智能、5G、航空航天、城际高铁交通、新能源 汽车 等关键领域延伸,以正威集团为代表的一批专注半导体制造和研发的企业正在迅速崛起,相信中国半导体事业发展的春天即将到来。(文/王婵)

半导体的应用, 半导体有哪些常见的应用

半导体一般指矽晶体,它的导电性介于导体和绝缘体之间。

半导体是指导电能力介于金属和绝缘体之间的固体材料。按内部电子结构区分,半导体与绝缘体相似,它们所含的价电子数恰好能填满价带,并由禁带和上面的导带隔开。半导体与绝缘体的区别是禁带较窄,在2~3电子伏以下。

典型的半导体是以共价键结合为主的,比如晶体矽和锗。半导体靠导带中的电子或价带中的空穴导电。它的导电性一般通过掺入杂质原子取代原来的原子来控制。掺入的原子如果比原来的原子多一个价电子,则产生电子导电;如果掺入的杂质原子比原来的原子少一个价电子,则产生空穴导电。

半导体的应用十分广泛,主要是制成有特殊功能的元器件,如电晶体、积体电路、整流器、镭射器以及各种光电探测器件、微波器件等。

半导体的应用的问题

1楼2楼耸人听闻,哪有那么严重。在半导体材料投入使用以前二战都已经结束了,大量采用电子管的电器装置已经投入民用。众所周知的事实是前苏联半导体材料发展极度落后,无论米格-25歼击机还是联盟号宇宙飞船都还使用着电子管装置,直到九十年代以后俄罗斯才逐步跟上来。

对日常生活的影响,简单地说——

一切使用微控制器也就是所谓“电脑板”的电器都重归机械控制;

不会出现微型计算机,只有巨型机/大型机/小型机,即便有了个人电脑也要衣柜那么大个,耗电量惊人,绝对奢侈品,笔记本就更不用说了;

没有微机当然更没有游戏机了,玩魂斗罗超级玛丽警察抓小偷永远是幻想;

收音机最小也要新华词典那么大,注意:是辞典不是字典;

电视机仍然是阴极射线管的,因为根本生产不出液晶板,不过幸好还能看到彩电;

微波炉可能要洗碗柜那么大吧?因为电子管是很占体积的;

洗衣机是半自动型的,使用机械定时器——微波炉也是。

冰箱一定是外形大大,立升小小,噪音隆隆,前苏联就有那种玩意的实物;

照相机继续用胶卷的,什么数码DC/DV统统不存在;

摄像机会相当笨重,只能用录影带;

您好!这里是邮电局,打电话请用拨盘拨号,如需拨往外地请让我为您转接……呃,这位同志,程控交换机是什么东西?——某人工接线员;

不存在什么VCD、DVD,录影机/放像机也不太会普及——太大、太贵;

没有了微型计算机你会感觉到练得一笔好字的必要性;

飞机导d卫星飞船空间站照样满天飞,战舰航母潜艇坦克照样满世界溜达;

网际网路可能会有,但那将是各国官方、军方和科研机构御用的玩意,跟咱老百姓没啥关系;

……能想起来的差不多都写上了。

半导体的应用,最好说详细点。

试想过你的生活缺少了数字是什么概念吗?那将是一个混乱的世界,无论是你的手机号码、你的身份z号码、还是你家的门牌号,这些全部都是用数字表达的!电子游戏、电子邮件、数码音乐、数码照片、多媒体光碟、网路会议、远端教学、网上购物、电子银行和电子货币……几乎一切的东西都可以用0和1来表示。电脑和网际网路的出现让人们有了更大的想象和施展的空间,我们的生活就在这简单的“0”“1”之间变得丰富起来、灵活起来、愉悦起来,音像制品、手机、摄像机、数码相机、MP3、袖珍播放机、DVD播放机、PDA、多媒体、多功能游戏机、ISDN等新潮电子产品逐渐被人们所认识和接受,数字化被我们随身携带着,从而拥有了更加多变的视听新感受,音乐和感觉在数字化生活中静静流淌……

数字生活已成为资讯化时代的特征,它改变着人类生活的方方面面,在此背后,隐藏着新材料的巨大功勋,新材料是数字生活的“幕后英雄”。

计算机是数字生活中的重要装置,计算机的核心部件是中央处理器(CPU)和储存器(RAM),它们是以大规模积体电路为基础建造起来的,而这些积体电路都是由半导体材料做成的,Si片是第一代半导体材料,积体电路中采用的Si片必须要有大的直径、高的晶体完整性、高的几何精度和高的洁净度。为了使积体电路具有高效率、低能耗、高速度的效能,相继发展了GaAs、InP等第二代半导体单晶材料。SiC、GaN、ZnSe、金刚石等第三代宽禁带半导体材料、SiGe/Si、SOI(Silicon On Insulator)等新型矽基材料、超晶格量子阱材料可制作高温(300~500°C)、高频、高功率、抗辐射以及蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件,从而大幅度地提高原有矽积体电路的效能,是未来半导体材料的重要发展方向。

人机交换,常常需要将各种形式的资讯,如文字、资料、图形、影象和活动影象显示出来。静止资讯的显示手段最常用的如印表机、影印机、传真机和扫描器等,一般称为资讯的输出和输入装置。为提高解析度以及输入和输出的速度,需要发展高灵敏度和稳定的感光材料,例如镭射印表机和影印机上的感光鼓材料,目前使用的是无机的硒合金和有机的酞菁染料。显示活动影象资讯的主要部件是阴极射线管(CRT),广泛地应用在计算机终端显示器和平面电视上,CRT目前采用的电致发光材料,大都使用稀土掺杂(Tb3+、Sn3+、Eu3+等)和过渡元素掺杂(Mn2+)的硫化物(ZnS、CdS等)和氧化物(Y2O3、YAlO3)等无机材料。

为了减小CRT庞大的体积,资讯显示的趋势是高解析度、大显示容量、平板化、薄型化和大型化,为此主要采用了液晶显示技术(LCD)、场致发射显示技术(FED)、等离子体显示技术(PDP)和发光二极体显示技术(LED)等平板显示技术,广泛应用在高清晰度电视(HDTV)、电视电话、计算机(台式或可移动式)显示器、汽车用及个人数字化终端显示等应用目标上,CRT不再是一支独秀,而是形成与各种平板显示器百花争艳的局面。

在液晶显示技术中采用的液晶材料早已在手表、计算器、膝上型电脑、摄像机中得到应用,液晶材料较早使用的是苯基环己烷类、环己基环己烷类、吡啶类等向列相和手征相材料,后来发展了铁电型(FE)液晶,响应时间在微秒级,但铁电液晶的稳定性差,只能用分支法(side-chain)来改进。目前趋向开发反铁电液晶,因为它们的稳定性较高。

液晶显示材料在大萤幕显示中有一定的困难,目前作为大萤幕显示的主要候选物件为等离子体显示器(PDP)和发光二极体(LED)。PDP所用的荧光粉为掺稀土的钡铝氧化物。用类金刚石材料作冷阴极和稀土离子掺杂的氧化物作发光材料,推动场发射显示(FED)的发展。制作高亮度发光二极体的半导体材料主要为发红、橙、黄色的GaAs基和GaP基外延材料、发蓝光的GaN基和ZnSe基外延材料等。

由于因特网和多媒体技术的迅速发展,人类要处理、传输和储存超高资讯容量达太(兆兆)数字位(Tb,1012bits),超高速资讯流每秒达太位(Tb/s),可以说人类已经进入了太位资讯时代。现代的资讯储存方式多种多样,以计算机系统储存为例,储存方式分为随机记忆体储、线上外储存、离线外储存和离线储存。随机记忆体储器要求整合度高、资料存取速度快,因此一直以大规模整合的微电子技术为基础的半导体动态随机储存器(DRAM)为主,256兆位的随机动态储存器的电晶体超过2亿个。外储存大都采用磁记录方式,磁储存介质的主要形式为磁带、磁泡、软磁碟和硬磁碟。磁储存密度的提高主要依赖于磁介质材料的改进,相继采用了磁性氧化物(如g-Fe2O3、CrO2、金属磁粉等)、铁氧体系、超细磁性氧化物粉末、化学电镀钴镍合金或真空溅射蒸镀Co基合金连续磁性薄膜介质等材料,磁储存的资讯储存量从而有了很大的提高。固体(闪)储存器(flash memory)是不挥发可擦写的储存器,是基于半导体二极体的积体电路,比较紧凑和坚固,可以在记忆体与外存间插入使用。记录磁头铁芯材料一般用饱和磁感大的软磁材料,如80Ni-20Fe、Co-Zr-Nb、Fe-Ta-C、45Ni-55Fe、Fe-Ni-N、Fe-Si、Fe-Si-Ni、67Co-10Ni-23Fe等。近年来发展起来的巨磁阻(GMR)材料,在一定的磁场下电阻急剧减小,一般减小幅度比通常磁性金属与合金的磁电阻数值约高10余倍。GMR一般由自由层/导电层/钉扎层/反强磁性层构成,其中自由层可为Ni-Fe、Ni-Fe/Co、Co-Fe等强磁体材料,在其两端安置有Co-Cr-Pt等永磁体薄膜,导电层为数nm的铜薄膜,钉扎层为数nm的软磁Co合金,磁化固定层用5~40nm的Ni-O、Ni-Mn、Mn-In、Fe-Cr-Pt、Cr-Mn-Pt、Fe-Mn等反强磁体,并加Ru/Co层的积层自由结构。采用GMR效应的读出磁头,将磁碟记录密度一下子提高了近二十倍,因此巨磁阻效应的研究对发展磁储存有着非常重要的意义。

半导体的具体应用

最常见的:半导体收音机、掌上计算器、电脑内的主机板显示卡等硬体都要用道半导体、电视机里的部件也要用半导体晶片、手机内部的部件、汽车内也要用到的一些部件。目前大部分将用电器都要用到数字晶片,而不是模拟的(DSP),这些晶片说白了就是用半导体做成的。

半导体镭射器的应用

半导体二极体镭射器在镭射通讯、光储存、光陀螺、镭射列印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用

还可以作为固体镭射器的泵浦源,安防领域照明光源,现在应用的领域非常广了

半导体的三个广泛应用:

一、在无线电收音机(Radio)及电视机(Television)中,作为“讯号放大器/整流器”用。

二、近来发展太阳能(Solar Power),也用在光电池(Solar Cell)中。

三、半导体可以用来测量温度,测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域,有较高的准确度和稳定性,解析度可达0.1℃,甚至达到0.01℃也不是不可能,线性度0.2%,测温范围-100~+300℃,是价效比极高的一种测温元件。

参考百度百科,仅供参考!

半导体在生活中的应用

试想过你的生活缺少了数字是什么概念吗?那将是一个混乱的世界,无论是你的手机号码、你的身份z号码、还是你家的门牌号,这些全部都是用数字表达的!电子游戏、电子邮件、数码音乐、数码照片、多媒体光碟、网路会议、远端教学、网上购物、电子银行和电子货币……几乎一切的东西都可以用0和1来表示。电脑和网际网路的出现让人们有了更大的想象和施展的空间,我们的生活就在这简单的“0”“1”之间变得丰富起来、灵活起来、愉悦起来,音像制品、手机、摄像机、数码相机、MP3、袖珍播放机、DVD播放机、PDA、多媒体、多功能游戏机、ISDN等新潮电子产品逐渐被人们所认识和接受,数字化被我们随身携带着,从而拥有了更加多变的视听新感受,音乐和感觉在数字化生活中静静流淌……

数字生活已成为资讯化时代的特征,它改变着人类生活的方方面面,在此背后,隐藏着新材料的巨大功勋,新材料是数字生活的“幕后英雄”。

计算机是数字生活中的重要装置,计算机的核心部件是中央处理器(CPU)和储存器(RAM),它们是以大规模积体电路为基础建造起来的,而这些积体电路都是由半导体材料做成的,Si片是第一代半导体材料,积体电路中采用的Si片必须要有大的直径、高的晶体完整性、高的几何精度和高的洁净度。为了使积体电路具有高效率、低能耗、高速度的效能,相继发展了GaAs、InP等第二代半导体单晶材料。SiC、GaN、ZnSe、金刚石等第三代宽禁带半导体材料、SiGe/Si、SOI(Silicon On Insulator)等新型矽基材料、超晶格量子阱材料可制作高温(300~500°C)、高频、高功率、抗辐射以及蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件,从而大幅度地提高原有矽积体电路的效能,是未来半导体材料的重要发展方向。

人机交换,常常需要将各种形式的资讯,如文字、资料、图形、影象和活动影象显示出来。静止资讯的显示手段最常用的如印表机、影印机、传真机和扫描器等,一般称为资讯的输出和输入装置。为提高解析度以及输入和输出的速度,需要发展高灵敏度和稳定的感光材料,例如镭射印表机和影印机上的感光鼓材料,目前使用的是无机的硒合金和有机的酞菁染料。显示活动影象资讯的主要部件是阴极射线管(CRT),广泛地应用在计算机终端显示器和平面电视上,CRT目前采用的电致发光材料,大都使用稀土掺杂(Tb3+、Sn3+、Eu3+等)和过渡元素掺杂(Mn2+)的硫化物(ZnS、CdS等)和氧化物(Y2O3、YAlO3)等无机材料。

为了减小CRT庞大的体积,资讯显示的趋势是高解析度、大显示容量、平板化、薄型化和大型化,为此主要采用了液晶显示技术(LCD)、场致发射显示技术(FED)、等离子体显示技术(PDP)和发光二极体显示技术(LED)等平板显示技术,广泛应用在高清晰度电视(HDTV)、电视电话、计算机(台式或可移动式)显示器、汽车用及个人数字化终端显示等应用目标上,CRT不再是一支独秀,而是形成与各种平板显示器百花争艳的局面。

在液晶显示技术中采用的液晶材料早已在手表、计算器、膝上型电脑、摄像机中得到应用,液晶材料较早使用的是苯基环己烷类、环己基环己烷类、吡啶类等向列相和手征相材料,后来发展了铁电型(FE)液晶,响应时间在微秒级,但铁电液晶的稳定性差,只能用分支法(side-chain)来改进。目前趋向开发反铁电液晶,因为它们的稳定性较高。

液晶显示材料在大萤幕显示中有一定的困难,目前作为大萤幕显示的主要候选物件为等离子体显示器(PDP)和发光二极体(LED)。PDP所用的荧光粉为掺稀土的钡铝氧化物。用类金刚石材料作冷阴极和稀土离子掺杂的氧化物作发光材料,推动场发射显示(FED)的发展。制作高亮度发光二极体的半导体材料主要为发红、橙、黄色的GaAs基和GaP基外延材料、发蓝光的GaN基和ZnSe基外延材料等。

由于因特网和多媒体技术的迅速发展,人类要处理、传输和储存超高资讯容量达太(兆兆)数字位(Tb,1012bits),超高速资讯流每秒达太位(Tb/s),可以说人类已经进入了太位资讯时代。现代的资讯储存方式多种多样,以计算机系统储存为例,储存方式分为随机记忆体储、线上外储存、离线外储存和离线储存。随机记忆体储器要求整合度高、资料存取速度快,因此一直以大规模整合的微电子技术为基础的半导体动态随机储存器(DRAM)为主,256兆位的随机动态储存器的电晶体超过2亿个。外储存大都采用磁记录方式,磁储存介质的主要形式为磁带、磁泡、软磁碟和硬磁碟。磁储存密度的提高主要依赖于磁介质材料的改进,相继采用了磁性氧化物(如g-Fe2O3、CrO2、金属磁粉等)、铁氧体系、超细磁性氧化物粉末、化学电镀钴镍合金或真空溅射蒸镀Co基合金连续磁性薄膜介质等材料,磁储存的资讯储存量从而有了很大的提高。固体(闪)储存器(flash memory)是不挥发可擦写的储存器,是基于半导体二极体的积体电路,比较紧凑和坚固,可以在记忆体与外存间插入使用。记录磁头铁芯材料一般用饱和磁感大的软磁材料,如80Ni-20Fe、Co-Zr-Nb、Fe-Ta-C、45Ni-55Fe、Fe-Ni-N、Fe-Si、Fe-Si-Ni、67Co-10Ni-23Fe等。近年来发展起来的巨磁阻(GMR)材料,在一定的磁场下电阻急剧减小,一般减小幅度比通常磁性金属与合金的磁电阻数值约高10余倍。GMR一般由自由层/导电层/钉扎层/反强磁性层构成,其中自由层可为Ni-Fe、Ni-Fe/Co、Co-Fe等强磁体材料,在其两端安置有Co-Cr-Pt等永磁体薄膜,导电层为数nm的铜薄膜,钉扎层为数nm的软磁Co合金,磁化固定层用5~40nm的Ni-O、Ni-Mn、Mn-In、Fe-Cr-Pt、Cr-Mn-Pt、Fe-Mn等反强磁体,并加Ru/Co层的积层自由结构。采用GMR效应的读出磁头,将磁碟记录密度一下子提高了近二十倍,因此巨磁阻效应的研究对发展磁储存有着非常重要的意义。

声视领域内镭射唱片和镭射唱机的兴起,得益于光储存技术的巨大发展,光碟存贮是通过调制镭射束以光点的形式把资讯编码记录在光学圆盘镀膜介质中。与磁储存技术相比,光碟储存技术具有储存容量大、储存寿命长;非接触式读/写和擦,光头不会磨损或划伤盘面,因此光碟系统可靠,可以自由更换;经多次读写载噪比(CNR)不降低。光碟储存技术经过CD(Compact Disk)、DVD(Digital Versatile Disk)发展到将来的高密度DVD(HD-DVD)、超高密度DVD(SHD-DVD)过程中,储存介质材料是关键,一次写入的光碟材料以烧蚀型(Tc合金薄膜,Se-Tc非晶薄膜等)和相变型(Te-Ge-Sb非晶薄膜、AgInTeSb系薄膜、掺杂的ZnO薄膜、推拉型偶氮染料、亚酞菁染料)为主,可擦重写光碟材料以磁光型(GdCo、TeFe非晶薄膜、BiMnSiAl薄膜、稀土掺杂的石榴石系YIG、Co-Pt多层薄膜)为主。光碟储存的密度取决于镭射管的波长,DVD盘使用的InGaAlP红色镭射管(波长650nm)时,直径12cm的盘每面储存为4.7千兆位元组(GB),而使用ZnSe(波长515nm)可达12GB,将来采用GaN镭射管(波长410nm),储存密度可达18GB。要读写光盘里的资讯,必须采用高功率半导体镭射器,所用的镭射二极体采用化合物半导体GaAs、GaN等材料。

镭射器除了在光碟储存应用之外,在光通讯中的作用也是众所周知的。由于有了低阈值、低功耗、长寿命及快响应的半导体镭射器,使光纤通讯成为现实。光通讯就是由电讯号通过半导体镭射器变为光讯号,而后通过光导纤维作长距离传输,最后再由光讯号变为电讯号为人接收。光纤所传输的光讯号是由镭射器发出的,常用的为半导体镭射器,所用材料为GaAs、GaAlAs、GaInAsP、InGaAlP、GaSb等。在接受端所用的光探测器也为半导体材料。缺少光导纤维,光通讯也只能是“纸上谈兵”。低损耗的光学纤维是光纤通讯的关键材料,目前所用的光学纤维感测材料主要有低损耗石英玻璃、氟化物玻璃和Ga2S3为基础的硫化物玻璃和塑料光纤等,1公斤石英为主的光纤可代替成吨的铜铝电缆。光纤通讯的出现是资讯传输的一场革命,资讯容量大、重量轻、占用空间小、抗电磁干扰、串话少、保密性强,是光纤通讯的优点。光纤通讯的高速发展为现代资讯高速公路的建设和开通起到了至关重要的作用。

除了有线传播外,资讯的传播还采用无线的方式。在无线传播中最引人注目的发展是行动电话。行动电话的使用者愈多,所使用的频率愈高,现在正向千兆周的频率过渡,电话机的微波发射与接收亦是靠半导体电晶体来实现,其中部分Si电晶体正在被GaAs电晶体所取代。在手机中广泛采用的高频声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)及体声波BAW(Bulk Surface Acoustic Wave)器件中的压电材料为a-SiO2、LiNbO3、LiTaO3、Li2B4O7、KNbO3、La3Ga5SiO14等压电晶体及ZnO/Al2O3和SiO2/ZnO/DLC/Si等高声速薄膜材料,采用的微波介质陶瓷材料则集中在BaO-TiO2体系、BaO-Ln2O3-TiO2(Ln=La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd)体系、复合钙钛矿A(B1/3B¢2/3)O3体系(A=Ba,Sr;B=Mg,Zn,Co,Ni,Mn;B¢=Nb,Ta)和铅基复合钙钛矿体系等材料上。

随着智慧化仪器仪表对高精度热敏器件需求的日益扩大,以及手持电话、掌上电脑PDA、膝上型电脑和其它行动式资讯及通讯装置的迅速普及,进一步带动了温度感测器和热敏电阻的大量需求,负温度系数(NTC)热敏电阻是由Co、Mn、Ni、Cu、Fe、Al等金属氧化物混合烧结而成,其阻值随温度的升高呈指数型下降,阻值-温度系数一般在百分之几,这一卓越的灵敏度使其能够探测极小的温度变化。正温度系数(PTC)热敏电阻一般都是由BaTiO3材料新增少量的稀土元素经高温烧结的敏感陶瓷制成的,这种材料在温度上升到居里温度点时,其阻值会以指数形式陡然增加,通常阻值-温度变化率在20~40%之间。前者大量使用在镍镉、镍氢及锂电池的快速充电、液晶显示器(LCD)影象对比度调节、蜂窝式电话和移动通讯系统中大量采用使用的温度补偿型晶体振荡器等中,来进行温度补偿,以保证器件效能稳定;此外还在计算机中的微电机、照相机镜头聚焦电机、印表机的列印头、软盘的伺服控制器和袖珍播放机的驱动器等中,发现它的身影。后者可以用于过流保护、发热器、彩电和监视器的消磁、袖珍压缩机电机的启动延迟、防止膝上型电脑常效应管(FET)的热击穿等。

为了保证资讯执行的通畅,还有许多材料在默默地作著贡献,例如,用于制作绿色电池的材料有:镍氢电池的正、负极材料用MH合金和Ni(OH)2材料、锂离子电池的正、负极用LiCoO2、LiMn2O4和MCMB碳材料等电极材料;行动电话、PC机以及诸如数码相机、MD播放机/录音机、DVD装置和游戏机等数字音/视讯装置等中钽电容器所用材料;现代永磁材料Fe14Nd2B在制造永磁电极、磁性轴承、耳机及微波装置等方面有十分重要的用途;印刷电路板(PCB)及超薄高、低介电损耗的新型覆铜板(CCL)用材料;环氧模塑料、氧化铝和氮化铝陶瓷是半导体和积体电路晶片的封装材料;积体电路用关键结构与工艺辅助材料(高纯试剂、特种气体、塑封料、引线框架材料等),不一而足,这些在浩瀚的材料世界里星光灿烂的新材料,正在数字生活里发挥着不可或缺的作用。

随着科技的发展,大规模积体电路将迎来深亚微米(0.1mm)矽微电子技术时代,小于0.1mm的线条就属于奈米范畴,它的线宽就已与电子的德布罗意数相近,电子在器件内部的输运散射也将呈现量子化特性,因而器件的设计将面临一系列来自器件工作原理和工艺技术的棘手问题,导致常说的矽微电子技术的“极限”。由于光子的速度比电子速度快得多,光的频率比无线电的频率高得多,为提高传输速度和载波密度,资讯的载体由电子到光子是必然趋势。目前已经发展了许多种镭射晶体和光电子材料,如Nd:YAG、Nd:YLF、Ho:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YAG、Er:YAG、Ho:Cr:Tm:YLF、Ti:Al2O3、YVO4、Nd:YVO4、Ti:Al2O3、KDP、KTP、BBO、BGO、LBO、LiNbO3、K(Ta,Nb)O3、Fe:KnBO3、BaTiO3、LAP等,所有这些材料将为以光通讯、光储存、光电显示为主的光电子技术产业作出贡献。随着资讯材料由电子材料、微电子材料、光电子材料向光子材料发展,将会出现单电子储存器、奈米晶片、量子计算机、全光数字计算机、超导电脑、化学电脑、生物电脑和神经电脑等奈米电脑,将会极大地影响着人类的数字生活。

本世纪以来,以数字化通讯(Digital Communication)、数字化交换(Digital Switching)、数字化处理(Digital Processing)技术为主的数字化生活(Digital Life)正在向我们招手,一步步地向我们走来——清晨,MP3音箱播放出悦耳的晨曲,催我们按时起床;上班途中,开启随身携带的膝上型电脑,进行新一天的工作安排;上班以后,通过网际网路召开网路会议、开展远端教学和实时办公;在下班之前,我们远端启动家里的空调和溼度调节器,保证家中室温适宜;下班途中,开启手机,悠然自在观看精彩的影视节目;进家门前,我们接收网上订购的货物;回到家中,和有线电视台进行互动,观看和下载喜欢的影视节目和歌曲,制作多媒体,也可进入社群网际网路,上网浏览新闻了解天气……这一切看上去是不是很奇妙?似乎遥不可及。其实它正在和将要发生在我们身边,随着新一代家用电脑和网际网路的出现,如此美好数字生活将成为现实。当享受数字生活的同时,饮水思源,请不要忘记为此作出巨大贡献的功臣——绚丽多彩的新材料世界!


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