身怀绝技的半导体材料讲了什么科学知识？

在可预见的将来，单晶硅仍是电子工业的首选材料，但砷化镓这位半导体家族新秀已迅速成长为仅次于硅的重要半导体电子材料。砷化镓在当代光电子产业中发挥着重要的作用，其产品的50％应用在军事、航天方面，30％用于通信方面，其余的用于计算机和测试仪器。

砷化镓材料的特殊结构使其具备吸引人的优良特性。根据量子力学原理，电子的有效质量越小，它的运动速度就越快，而砷化镓中电子的有效质量是自由电子质量的1／15，只有硅电子的1／3。用砷化镓制成的晶体管的开关速度，比硅晶体管快1～4倍，用这样的晶体管可以制造出速度更快、功能更强的计算机。因为砷化镓的电子运动速度很高，用它可以制备工作频率高达1010赫兹的微波器件，在卫星数据传输、通信、军用电子等方面具有关键性作用。实际上，以砷化镓为代表的Ⅲ一Ⅳ族半导体，其最大特点是其光电特性，即在光照或外加电场的情况下，电子激发释放出光能。它的光发射效率比其他半导体材料高，用它不仅可以制作发光二极管、光探测器，还能制作半导体激光器，广泛应用于光通信、光计算机和空间技术，开发前景令人鼓舞。

与任何半导体材料一样，砷化镓材料对于杂质元素十分敏感，必须精细纯化。和硅、锗等元素半导体不同的是它还要确保准确的化学配比，否则将影响材料的电学性质。

基于以上原因，砷化镓单晶的制备工艺复杂，成本高昂。我国曾在人造卫星上利用微重力条件进行砷化镓单晶的生长，取得了成功。此外。薄膜外延生长技术，可以精确控制单晶薄膜的厚度和电阻率，在制备半导体材料和器件中越来越受到重视。

短短十几年，仅美国研究和开发的砷化镓产品已逾千种。根据90年代末国际砷化镓集成电路会议的预测，砷化镓集成电路的市场销售额将每年翻一番，形成数十亿美元的规模。砷化镓及其代表的Ⅲ一Ⅳ族化合物半导体家族均身怀绝技，有待于进一步开发。

半导体

什么是半导体呢？

顾名思义：导电性能介于导体与绝缘体(insulator)之间的材料，叫做半导体（semiconductor）．

物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与金属和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。

半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，

1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。不久，

1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。

在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。

1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。

半导体的这四个效应，(jianxia霍尔效应的余绩——四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多年呢？主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料，很多与材料相关的问题就难以说清楚。

半导体于室温时电导率约在10ˉ10～10000/Ω·cm之间，纯净的半导体温度升高时电导率按指数上升。半导体材料有很多种，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的有机物半导体等。

本征半导体(intrinsic semiconductor) 没有掺杂且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。在绝对零度温度下，半导体的价带(valence band)是满带(见能带理论)，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带(forbidden band/band gap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带(conduction band)，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴(hole)，导带中的电子和价带中的空穴合称为电子 - 空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子(free carrier)，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，使电子-空穴对消失，称为复合(recombination)。复合时产生的能量以电磁辐射（发射光子photon）或晶格热振动（发射声子phonon）的形式释放。在一定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时本征半导体具有一定的载流子浓度，从而具有一定的电导率。加热或光照会使半导体发生热激发或光激发，从而产生更多的电子 - 空穴对，这时载流子浓度增加，电导率增加。半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。常温下本征半导体的电导率较小，载流子浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体特性进行控制，因此实际应用不多。

杂质半导体(extrinsic semiconductor) 半导体中的杂质对电导率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，一般可分为n型半导体和p型半导体。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主(donor)杂质，相应能级称为施主能级,位于禁带上方靠近导带底附近。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价键，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢浅能级-施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多，很易激发到导带成为电子载流子，因此对于掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是被激发到导带中的电子，属电子导电型，称为n型半导体。由于半导体中总是存在本征激发的电子空穴对，所以在n型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子。相应地，能提供空穴载流子的杂质称为受主(acceptor)杂质，相应能级称为受主能级，位于禁带下方靠近价带顶附近。例如在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是受主能级。由于受主能级靠近价带顶，价带中的电子很容易激发到受主能级上填补这个空位，使受主杂质原子成为负电中心。同时价带中由于电离出一个电子而留下一个空位，形成自由的空穴载流子，这一过程所需电离能比本征半导体情形下产生电子空穴对要小得多。因此这时空穴是多数载流子，杂质半导体主要靠空穴导电，即空穴导电型，称为p型半导体。在p型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。

编辑词条

开放分类：

技术、电子、半导体物理

参考资料：

1.Introduction to Solid State Physics - by Charles Kittle

半导体应用：

硅是集成电路产业的基础，半导体材料中98％是硅，半导体硅工业产品包括多晶硅、单晶硅（直拉和区熔）、外延片和非晶硅等，其中，直拉硅单晶广泛应用于集成电路和中小功率器件。区域熔单晶目前主要用于大功率半导体器件，比如整流二极管，硅可控整流器，大功率晶体管等。单晶硅和多晶硅应用最广。

中彰国际（SINOSI）是一家致力于尖端科技、开拓创新的公司。中彰国际（SINOSI）能够规模生产和大批量供应单晶硅、多晶硅及Φ4〃- Φ6〃直拉抛光片、 Φ3〃- Φ6〃直拉磨片和区熔NTD磨片并且可以按照国内、外客户的要求提供非标产品。

单晶硅

单晶硅主要有直拉和区熔

区熔（NTD）单晶硅可生产直径范围为：Φ1.5〃- Φ4〃。直拉单晶硅可生产直径范围为：Φ2〃-Φ8〃。

各项参数可按客户要求生产。

多晶硅

区熔用多晶硅：可生产直径Φ40mm－Φ70mm。直径公差(Tolerance)≤10%，施主水平＞300Ω.㎝，受主水平＞3000Ω.㎝，碳含量＜2×1016at/㎝3 。各项参数可按客户要求生产。

切磨片

切磨片可生产直径范围为：Φ1.5〃- Φ6〃。厚度公差、总厚度公差、翘曲度、电阻率等参数符合并优于国家现行标准，并可按客户要求生产。

抛光片

抛光片可生产直径范围为：Φ2〃- Φ6〃，厚度公差、总厚度公差、翘曲度、平整度、电阻率等参数符合并优于国家现行标准，并可按客户要求生产。

高纯的单晶硅棒是单晶硅太阳电池的原料，硅纯度要求99.999％。单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。

单晶硅是转化太阳能、电能的主要材料。在日常生活里，单晶硅可以说无处不在，电视、电脑、冰箱、电话、汽车等等，处处离不开单晶硅材料；在高科技领域，航天飞机、宇宙飞船、人造卫星的制造，单晶硅同样是必不可少的原材料。

在科学技术飞速发展的今天，利用单晶硅所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能，实现了迈向绿色能源革命的开始。现在，国外的太阳能光伏电站已经到了理论成熟阶段，正在向实际应用阶段过渡，太阳能单晶硅的利用将普及到全世界范围，市场需求量不言而喻。

直拉硅单晶广泛应用于集成电路和中小功率器件。区域熔单晶目前主要用于大功率半导体器件，比如整流二极管，硅可控整流器，大功率晶体管等。

区熔（NTD）单晶硅可生产直径范围为：Φ1.5〃- Φ4〃。

直拉单晶硅可生产直径范围为：Φ2〃-Φ8〃。

硅单晶被称为现代信息社会的基石。硅单晶按照制备工艺的不同可分为直拉（CZ）单晶硅和区熔（FZ）单晶硅，直拉单晶硅被广泛应用于微电子领域，微电子技术的飞速发展，使人类社会进入了信息化时代，被称为硅片引起的第一次革命。区熔单晶硅是利用悬浮区熔技术制备的单晶硅。它的用途主要包括以下几个方面。

1、制作电力电子器件

电力电子技术是实现电力管理，提高电功效率的关键技术。飞速发展的电力电子被称为“硅片引起的第二次革命”，大多数电力电子器件是用区熔单晶硅制作的。电力电子器件包括普通晶闸管(SCR)、电力晶体管GTR、GTO以及第三代新型电力电子器件——功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及功率集成电路(PIC)等，广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程中。制作电力电子器件，是区熔单晶硅的传统市场，也是本项目产品的市场基础。

2、制作高效率太阳能光伏电池

太阳能目前已经成为最受关注的绿色能源产业。美国、欧洲、日本都制定了大力促进本国太阳能产业发展的政策，我国也于2005年3月份通过了《可再生能源法》。这些措施极大地促进了太阳能电池产业的发展。据统计，从1998—2004年，国际太阳能光伏电池的市场一直保持高速增长的态势，年平均增长速度达到30%，预计到2010年，仍将保持至少25%的增长速度。

晶体硅是目前应用最成熟，最广泛的太阳能电池材料，占光伏产业的85%以上。美国SunPower公司最近开发出利用区熔硅制作太阳能电池技术，其产业化规模光电转换效率达到20%，为目前产业化最高水平，其综合性价比超过直拉单晶硅太阳能电池（光电转换效率为15%）和多晶硅太阳能电池（光电转换效率为12%）。这项新技术将会极大地扩展区熔硅单晶的市场空间。据估计，到2010年，其总的市场规模到将达到电力电子需求规模，这是本项目新的市场机会。

3、制作射频器件和微电子机械系统（MEMS）

区熔单晶还可以用来制作部分分立器件。另外采用高阻区熔硅制造微波单片集成电路（MMIC）以及微电子机械系统（MEMS）等高端微电子器件，被广泛应用于微波通讯、雷达、导航、测控、医学等领域，显示出巨大的应用前景。这也是区熔单晶的又一个新兴的市场机会。

4、制作各种探测器、传感器，远红外窗口

探测器、传感器是工业自动化的关键元器件，被广泛应用于光探测、光纤通讯、工业自动化控制系统中以及医疗、军事、电讯、工业自动化等领域。高纯的区熔硅单晶是制作各种探测器、传感器的关键原材料，其市场增长趋势也很明显。

图片参考：

http://www.sinosi.com/chinese/Products%20Gallcry/Semi-Silica/Semi-Conductor%20Silicon.htm

http://www.istis.sh.cn/list/list.asp?id=2214

雷电中的电子和电流是如何形成的

2021年5月8日

本文提出的新术语和新观点

【具有既可以让光粒子从不同角度进入又可以从不同角度反射光粒子的功能的。因此，当有光粒子进入水分子与被反射的光粒子相交，而它们的质量之和又正好等于一个电子的质量时，这两个光粒子就会在水分子中合成一个电子】

【那些储存在云层水分子中的电子又去向了哪里呢？它们又是不是地球磁场中的电磁粒子的来源之一呢？或许是吧】

【我们人类且不可忽略了地球磁场强度减弱的危险性】

【我们人类无限度地把地球磁场中大量的电磁粒子通过发电设备转化为电流并消掉，使这些消耗掉的地球磁场中的电磁粒子完全彻底地分解为独立态热粒子，可能会导致地球磁场强度减弱的】

【保护地球磁场，维系地球磁场强度的恒定，也必将成为人类的责任】

【地球级的责任】

【减少可以作为能源的地球磁场中的电磁粒子的消耗】

正文

昨天从电视上看了雷电在大气云层中爆发的视频，简直是太壮观了。云层中的电在以雷电的方式爆发的那一刻，把云层搅得尤如大海中的巨浪一样翻滚着迸发着。那能量简直是太大了，那得有多少电子形成的电流来参与这种雷电现象的爆发啊？！这不能不令人叹服：自然的力量真的是太大了，也太神秘了。

那么问题来了，雷电现象的发生必然少不了电这个因素。不论这个“电”是以电荷的方式表现的，还是以电流的方式表现的，它都必然是基于电子的存在的。没有电子的存在，就产生不了电荷的表现形式；没有电子的存在，形成不了电流，当然也就不会有云中雷电了。

那么云层中的电子是如何形成的呢？

从网上查了一下，关于雷电是怎么形成的解释有三种。如，对流云初始阶段的“离子流”假说；如，冷云的电荷积累；如，暖云的电荷积累。

但是对于这些存在于云层中的“电荷”是如何产生的，却没有具体的解释。不过，在自己的印象中，几十年前好像看到过云层中的电荷是因为云层中的水汽分子在摩擦过程中产生的这样的消息（所以，也就一直记着的）。这应该是有一定的道理的。因为凡是学过物理基础知识的人，都知道“摩擦生电”这一原理。所以，云层中的水汽分子在摩擦过程中产生电荷或电子的道理是成立的。当水汽分子在摩擦过程中产生的电子积累到一定的量时，或云层降低到一定的高度时，或空气中的湿度使空气达到导电性能时，这些积累的电子就会击穿地面与云层之间的空气层，而产生雷电现象。

那么，除了云层中的水汽分子在摩擦过程中产生电子这一原因外，还有没有其它的能使云层产生电子的原因呢？对此，我也是早已萌生出了自己的想法的。这种想法在1999年5月写就的《关于光粒子合成电子的基本原理》之后，就更是坚信不疑了。遗憾的没有及时地将其写成文稿记录下来。这里，不仿借此机会将其表述一下。

除了云层中的水汽分子在摩擦过程中产生电子这一原因外，植物中的叶绿体和人造半导体的将光粒子合成电子的基本原理，是不是也完全适用于云层形成电子这一自然现象的呢？

那么我们这里说的植物中的叶绿体和人造半导体将光粒子合成电子的基本原理是什么呢？这个问题我已在我的很多关于科学的文稿中进行过详细的分析，这里就不再进行重复的表述了。但是为了说明本文所要阐述的观点，就仍然需要就植物中的叶绿体和人造半导体将光粒子合成电子的基本原理做一个简练的表述。

1、叶绿体和半导体必须具有能使光粒子进入和反射光粒子的特性。

2、光粒子合成电子必须满足以下条件。

一是两个质量之和等于一个电子质量的两个光粒子才能合成一个电子。

二是两个质量之和等于一个电子质量的两个光粒子必须以大于每秒三十万公里的相对速度相交时，才能表现为一个质量小的光粒子嵌入一个质量大的光粒子之中而合成一个电子的。

3、对云层中的一个水分子来说，它是具有既可以让光粒子从不同角度进入又可以从不同角度反射光粒子的功能的。因此，当一个光粒子进入水分子与被反射的一个光粒子相交，而它们的质量之和又正好等于一个电子的质量时，这两个光粒子就会在水分子中合成一个电子。

当云层中的水分子以这样的方式把光粒子合成电子时，它无异于一个叶绿体或半导体物质。想一想，大气层中的云层有多少水分子啊，当它们中的一部分也像植物中的叶绿体和人造半导体那样将太阳光合成电子时，会产生多大量的电子啊！当这些电子通过某种条件而形成电流时，又会是多么大的电流啊！当这样的电流以昨天看到的视频那样表现时，又何以不壮观呢？！

以我这里所表述的云层形成电子的原理来看，那么天空中漂浮的云彩应该是每时每刻都在合成着大量的电子的。这不仅是雷雨天中的云层是这样，即便是万里晴空漂浮着的云彩也应该是这样的。虽然富兰克林所做的用风筝传导电流的试验是在雷雨天做的，但这个试验应该对所有天气状况中的云层来说都是有效的。

那么，云层中产生的电子和积累的电子，可不可以引流成电流为人类所用呢？当然，这是有难度的，因为天空中的云彩和云层是移动着的，甚至是快速移动的。

还有，云层中产生的电子在云层存在时，它们可以储存在水分子中，它们可以积累在云层中。那么当云层消散了以后，那些储存在云层水分子中的电子又去向了哪里呢？它们又是不是转化为了地球磁场中的电磁粒子了呢？它们是不是地球磁场中的电磁粒子的来源之一呢？或许是吧。不然的话，因为地球磁场中的很多电磁粒子散射到宇宙空间的不归，因为人类将地球磁场中的很多电磁粒子转化为电流经过利用而分解为了独立态热粒子，那么地球磁场的强度应该表现为是趋于减弱的。但实际上，地球磁场的强度似乎并没有明显的减弱。这或许应该归功于地球云层把大量的太阳光转换为电子，继而又转换为地球磁场中的电磁粒子的缘故吧。

不过，即便云层中产生的电子是地球磁场中的电磁粒子的来源之一，是维系地球磁场强度的重要因素，我们人类也且不可忽略了地球磁场强度减弱的危险性。而我们人类无限度地把地球磁场中大量的电磁粒子通过发电设备转化为电流并消耗掉，使这些消耗掉的地球磁场中的电磁粒子完全彻底地分解为独立态热粒子，很有可能会导致地球磁场强度减弱的。

须知，恒定的地球磁场强度，是地球安全的重要因素，是人类和所有生物的生存条件之一。因此，保护地球磁场，维系地球磁场强度的恒定，也必将成为人类的责任。而人类要能很好地承担起这一地球级的责任，最好的措施就是最大程度地使用太阳光这一能源，是将太阳光经过人类的利用后使其分解为独立态热粒子，而不是让大量的太阳光不经过人类的利用就直接分解为了独立态热粒子。

对地球来说，太阳作为能源被人类利用的量太少了。每天都有大量的太阳光在地球上是直接地分解和还原为了独立态热粒子的，这应该被视为是能源的极大浪费。在我们人类不仅需要通过控制地球的温度来保护地球，还应该通过保护地球磁场的强度来保护地球的今天，不论从哪个角度来说，减少生物质能源的消耗，减少化学能源的消耗，乃至减少可以作为能源的地球磁场中的电磁粒子的消耗，都是十分必要的，都应该用太阳光这一能源取代它们。

把太阳光作为人类可以使用的主要能源，相应地减少生物质能源、化学能源和地球磁场中的电磁粒子的消耗，既能防止地球温度的升高，又能保护地球磁场的稳定，真的是一举两得的大好事。为了地球，为了人类，也为了同人类一起生存的所有的生物，我们人类应该把这一好事做得更充分些。

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