【編者按】隨著信息化速度的加快半導(dǎo)體也在不斷的發(fā)展送县，我們來(lái)徹底了解一下半導(dǎo)體吧。

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1半導(dǎo)體是信息化的基礎(chǔ)

　　上個(gè)世紀(jì)半導(dǎo)體大規(guī)模集成電路淀爆、半導(dǎo)體激光器跑放、以及各種半導(dǎo)體器件的發(fā)明，對(duì)現(xiàn)代信息技術(shù)革命起了至關(guān)重要的作用伍戚，引發(fā)了一場(chǎng)新的全球性產(chǎn)業(yè)革命味专。信息化是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)，信息化水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家和地區(qū)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志透汞。

　　進(jìn)入21世紀(jì)数荤，全世界都在加快信息化建設(shè)步伐。源于信息技術(shù)革命的需要薄肉，半導(dǎo)體物理阴戚、材料、器件將有新的更快的發(fā)展某亩。集成電路的尺寸將越來(lái)越小笋熬，將出現(xiàn)新的量子效應(yīng)器件;寬禁帶半導(dǎo)體代表了一個(gè)新的方向，將在短波長(zhǎng)激光器腻菇、白光發(fā)光管胳螟、高頻大功率器件等方面有廣闊的應(yīng)用;納米電子器件有可能作為下一代的半導(dǎo)體微電子和光電子器件;利用單電子、單光子和自旋器件作為量子調(diào)控筹吐，將在量子計(jì)算和量子通信的實(shí)用化中起關(guān)鍵作用糖耸。

　　2晶體管的發(fā)明

　　1945年二次大戰(zhàn)結(jié)束時(shí)秘遏，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室總裁巴克萊為了適應(yīng)該室從戰(zhàn)時(shí)轉(zhuǎn)向和平時(shí)期的工作需要，決定成立固體物理組嘉竟，由肖克萊負(fù)責(zé)半導(dǎo)體物理小組邦危，成員有巴丁、布拉頓舍扰、吉布尼倦蚪、穆?tīng)柕热恕Ｐた巳R和巴丁是理論物理學(xué)家边苹，布拉頓是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家陵且，吉布尼是物理化學(xué)家，穆?tīng)柺请娐穼W(xué)家犀进，這種專(zhuān)業(yè)人才的搭配對(duì)于半導(dǎo)體物理研究和晶體管的發(fā)明是個(gè)黃金搭配嵌鳖，精干而高效织扰。他們根據(jù)各自在30年代中期以后的經(jīng)驗(yàn)和后來(lái)的考慮膊节，從剛開(kāi)始成立時(shí)，就把重點(diǎn)放在半導(dǎo)體材料硅和鍺的研究上率肉。

　　第二次世界大戰(zhàn)期間原拉，英國(guó)用雷達(dá)偵察到了德國(guó)的轟炸機(jī)。雷達(dá)的核心就是真空電子管剑三，它能夠?qū)⑽⑷蹼娏鞣糯蠖绿住Ｐた巳R早在1939年就準(zhǔn)備制作能夠?qū)㈦娏鞣糯蟮墓腆w器件，以便取代真空電子管矩汪。1947年12月端皮，巴丁和布拉頓制成了世界上第一個(gè)鍺點(diǎn)接觸型三極管，具有電流放大作用拒凝。

　　巴丁和布拉頓的結(jié)果在1948年6月發(fā)表腰凫。點(diǎn)接觸晶體管的發(fā)明雖然揭開(kāi)了晶體管大發(fā)展的序幕，但由于它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜牢裳，性能差逢防，體積大和難以制造等缺點(diǎn)，沒(méi)有得到工業(yè)界的推廣和應(yīng)用蒲讯，在社會(huì)上引起的反響不夠強(qiáng)烈忘朝。

　　1948年1月肖克萊在自己研究p-n結(jié)理論的基礎(chǔ)上發(fā)明了另一種面結(jié)型晶體管，并于1948年6月取得了專(zhuān)利判帮。面結(jié)型晶體管又稱(chēng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管局嘁，它是平面狀的(見(jiàn)圖3)，可以通過(guò)一些平面工藝(如擴(kuò)散晦墙、掩膜等)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)悦昵。因此只有在面結(jié)型晶體管發(fā)明以后约巷，晶體管的優(yōu)越性才很好地被人認(rèn)識(shí)，逐漸取代了真空電子管旱捧。

　　由于巴丁独郎、布拉頓和肖克萊在晶體管和結(jié)型晶體管發(fā)明上的貢獻(xiàn)，在1956年獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)枚赡。作為半導(dǎo)體晶體管的第一個(gè)應(yīng)用就是索尼公司的便攜式收音機(jī)氓癌，風(fēng)靡全球，賺了大錢(qián)蛹拜。

　　3集成電路的發(fā)明

　　晶體管收音機(jī)比電子管收音機(jī)小多了她蛉，可以隨身攜帶。但它是由晶體管慰颊、電阻赚兰、電容、磁性天線(xiàn)焊在一塊電路板上辱折，相互之間由導(dǎo)線(xiàn)相連郎石。體積還比較大，裝配工藝復(fù)雜财调。

　　1958年美國(guó)政府設(shè)立了晶體管電路小型化基金认吕，以便適應(yīng)美國(guó)為趕超前蘇聯(lián)發(fā)射的第一顆人造衛(wèi)星的需要。那時(shí)兔触，德克薩斯公司的基爾比承擔(dān)了這一任務(wù)沼昵，試圖制造將晶體管、電阻器和電容器等包裝在一起的小型化電路审炬。1958年9月基爾比制成了世界上第一個(gè)集成電路振蕩器极金，這一切都記載在他當(dāng)天的筆記中〕甭停基爾比發(fā)明的集成電路在1959年2月取得了專(zhuān)利權(quán)囱皿，名稱(chēng)為“小型化電子電路”。

　　與此同時(shí)跑杭，美國(guó)加州菲切爾德(仙童)半導(dǎo)體公司的諾伊斯提出了用鋁連接晶體管的想法铆帽。在基爾比發(fā)明集成電路5個(gè)月以后，即1959年2月德谅，他采用霍爾尼提出的平面晶體管方法爹橱，在整個(gè)硅片上生成SiO2掩膜，應(yīng)用光刻技術(shù)按模板刻成窗口和引線(xiàn)通路窄做，通過(guò)窗口擴(kuò)散雜質(zhì)愧驱，構(gòu)成基極、發(fā)射極和集電極椭盏，將金或鋁蒸發(fā)组砚，因而制成集成電路吻商。1959年7月諾伊斯的集成電路取得了專(zhuān)利權(quán)，名稱(chēng)為“半導(dǎo)體器件與引線(xiàn)結(jié)構(gòu)”糟红。從此集成電路走上了大規(guī)模發(fā)展的新時(shí)期址檀。

　　4太陽(yáng)能電池的發(fā)明

　　為了人造衛(wèi)星的需要，1954年皮爾森和富勒利用磷和硼的擴(kuò)散技術(shù)制成了大面積的硅p-n結(jié)太陽(yáng)能電池匣夭，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)6%以上绍堪，超過(guò)了過(guò)去最好的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率的15倍。它的制作成本低廉坝总，可以批量生產(chǎn)璃疫，因此很快得到了大規(guī)模的應(yīng)用。

　　太陽(yáng)能電池的工作原理是光生伏特效應(yīng)兆距。當(dāng)光照射在半導(dǎo)體上時(shí)窖韧，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。如果接通外電路乏尿，就會(huì)有電流通過(guò)姐蝠，這就是光生伏特效應(yīng)。

　　太陽(yáng)能電池的商業(yè)應(yīng)用開(kāi)始于1958年诺教，它被選用為美國(guó)第一個(gè)人造衛(wèi)星Vanguard I的無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)的電源驹柴。當(dāng)前能源危機(jī)下饼瓮，太陽(yáng)能電池作為一種再生和無(wú)污染電源引起了人們極大的注意碗帅。

　　5半導(dǎo)體激光器的發(fā)明

　　半導(dǎo)體發(fā)光管和激光器的工作原理和太陽(yáng)能電池正好相反：太陽(yáng)能電池是用光產(chǎn)生電，而發(fā)光管豹爹、激光器則用電產(chǎn)生光裆悄。用電流將電子和空穴分別引入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶。電子和空穴復(fù)合臂聋，產(chǎn)生光子光稼。

　　1962年美國(guó)霍爾用p-n同質(zhì)結(jié)制成了第一個(gè)半導(dǎo)體激光器(見(jiàn)圖8)。產(chǎn)生激光必須滿(mǎn)足3個(gè)條件：粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布孩等、諧振腔和電流超過(guò)一定閾值艾君。

　　1963年美國(guó)的克勒默和蘇聯(lián)的阿爾費(fèi)羅夫各自獨(dú)立地制成了異質(zhì)結(jié)激光器，也就是在圖8中肄方，結(jié)區(qū)用一種禁帶寬度小的材料冰垄，如GaAs;兩邊的p區(qū)和n區(qū)用另一種禁帶寬度大的材料，如AlxGa1-xAs权她。這樣虹茶，發(fā)光區(qū)域被限制在窄小結(jié)區(qū)中(見(jiàn)圖9)。因此大大提高了發(fā)光效率隅要，降低了激光器的閾值電流蝴罪。1970年蘇聯(lián)的約飛研究所和美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室分別制成了室溫下連續(xù)工作的雙異質(zhì)結(jié)激光器刷航，從而使半導(dǎo)體激光器在光通信中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　由于克勒默和阿爾費(fèi)羅夫在發(fā)展半導(dǎo)體激光器方面的重要貢獻(xiàn)驱糜，他們?cè)?000年和集成電路發(fā)明者基爾比一起獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)启尚。硅大規(guī)模集成電路和半導(dǎo)體激光器的發(fā)明使得世界進(jìn)入了一個(gè)以微電子和光電子技術(shù)為基礎(chǔ)的信息時(shí)代，大大促進(jìn)了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展喧弦。

　　6分子束外延技術(shù)的發(fā)明

　　制造雙異質(zhì)結(jié)激光器的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是分子束外延内会。1968年貝爾實(shí)驗(yàn)室的卓以和發(fā)現(xiàn)，在超高真空容器中通過(guò)精細(xì)控制束流的大小和時(shí)間衔侯，能夠按照需要生長(zhǎng)不同層數(shù)蝉嘲、不同種類(lèi)的半導(dǎo)體材料，因而發(fā)明了分子束外延技術(shù)迈枪。分子束外延設(shè)備的示意圖見(jiàn)圖11痛的。裝置內(nèi)部處于超高真空條件下(10-10torr)，蒸發(fā)爐內(nèi)裝有原材料元素(如Ga违酣、As梆栏、Al等)的源。前面是可以控制的擋板受啥，打開(kāi)擋板做个，將被蒸發(fā)的源原子直射至加熱的襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng)。目前用這種技術(shù)已經(jīng)能做到單原子層的生長(zhǎng)滚局。裝置周?chē)且恍?a target="_blank" class="mmstipl2" >檢測(cè)儀器居暖，用以監(jiān)控生長(zhǎng)過(guò)程。

　　半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用

　　1大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)

　　大規(guī)模集成電路為計(jì)算機(jī)藤肢、網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展打下了基礎(chǔ)太闺。按照摩爾定律，集成電路的集成度以每18個(gè)月翻一番的速度發(fā)展嘁圈，最近它的線(xiàn)度已達(dá)到幾十納米(毫米省骂、微米、納米)最住，每一個(gè)芯片上包含了上百億個(gè)元件钞澳。計(jì)算機(jī)科學(xué)已經(jīng)發(fā)展到很高水平，無(wú)論是計(jì)算機(jī)的硬件還是軟件都已十分成熟涨缚，每秒萬(wàn)億次甚至更高速度的計(jì)算機(jī)(天河：2000萬(wàn)億次轧粟，世界第二)都已問(wèn)世，這為各種高速運(yùn)算仗岖、海量信息處理和轉(zhuǎn)換提供了有力的工具梯盹。

　　自從1943年計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，由于集成電路的發(fā)明，計(jì)算機(jī)向著高運(yùn)算速度约绒、體積小型化方向飛速發(fā)展馁言。目前世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家和中國(guó)都已擁有百萬(wàn)億次以上浮點(diǎn)運(yùn)算的大型計(jì)算機(jī)。中國(guó)制造和擁有這種超級(jí)計(jì)算機(jī)的數(shù)量在世界上據(jù)第二位痛主，僅次于美國(guó)群骂。這種超級(jí)計(jì)算機(jī)能用于分析蛋白質(zhì)、開(kāi)發(fā)新藥等蚂芹，在軍事上可用于模擬核爆炸谱聂、解密碼等。需要說(shuō)明的是制造這種計(jì)算機(jī)所需的大規(guī)模集成電路中國(guó)還很落后榨厚，大部分還需進(jìn)口桐装。

　　2光通信技術(shù)

　　以前長(zhǎng)距離通信靠長(zhǎng)途電話(huà)或電報(bào)。因?yàn)橥ㄔ?huà)數(shù)目少蒂禽，價(jià)錢(qián)很貴害切。1966年英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)通信實(shí)驗(yàn)室的高錕(K. C. Kao)提出用無(wú)雜質(zhì)高透明度的玻璃纖維傳輸激光信號(hào)。如果它的損耗能低到20分貝/公里逢勾，則就能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光通信牡整。1970年紐約康寧玻璃廠的毛瑞爾(R. D. Maurer)等用“淀積工藝”將四氯化硅蒸氣經(jīng)過(guò)火焰水解，制成密實(shí)的玻璃管溺拱，再加熱后通過(guò)模子拉制成細(xì)的玻璃纖維逃贝。低損耗的玻璃纖維的誕生是光通信技術(shù)的里程碑進(jìn)展。

　　1976年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室在亞特蘭大進(jìn)行了第一次光通信實(shí)地實(shí)驗(yàn)迫摔，取得了很好的效果沐扳。光纖的平均功率損耗為6分貝/公里，無(wú)差錯(cuò)傳輸信息超過(guò)10.9公里攒菠，相當(dāng)于通過(guò)光纖環(huán)路17周迫皱。1976年12月貝爾實(shí)驗(yàn)室宣布：光波通信通過(guò)了它的首次檢驗(yàn)，光波通信的可能性已經(jīng)得到證明辖众。從此宣告了光通信時(shí)代的來(lái)臨，并預(yù)示著微電子時(shí)代向光電子時(shí)代的序幕正式揭開(kāi)了和敬。

　　今天凹炸，電信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和有線(xiàn)電視網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施肚乓，所有政治运诺、經(jīng)濟(jì)、軍事案帆、科技活動(dòng)以至人們?nèi)粘Ｉ顣r(shí)刻都離不開(kāi)這三網(wǎng)幢垮。我國(guó)現(xiàn)有電話(huà)用戶(hù)8億5千萬(wàn)，其中移動(dòng)手機(jī)用戶(hù)4億8千萬(wàn)捎梢，是世界上最大的電信網(wǎng)絡(luò)邓刻。計(jì)算機(jī)上網(wǎng)用戶(hù)已達(dá)1.37億堵闪，有線(xiàn)電視用戶(hù)達(dá)1.3億，占世界三分之一锦是。

　　將來(lái)的趨勢(shì)是三網(wǎng)合一〉隅瑁現(xiàn)在的手機(jī)上網(wǎng)已經(jīng)很普遍了，這方面美國(guó)的蘋(píng)果公司走在了前面漓琢。

　　光有不同的顏色和波長(zhǎng)称几。不是所有顏色的光都能在光纖中傳播。

　　光纖的損耗分別在1450-1550nm和1250-1350nm處具有最低值和次低值稿施，因此是光纖通信的2個(gè)主要窗口疫稿。為了讓一根光纖能傳播盡量多的信息通道，采用了波分復(fù)用的光通信系統(tǒng)鹃两，就是把這2個(gè)波段劃分成很窄的波長(zhǎng)而克，每個(gè)波長(zhǎng)形成一定的通信容量。將不同波長(zhǎng)的信號(hào)通過(guò)一根光纖傳至對(duì)方怔毛，再經(jīng)過(guò)解復(fù)用员萍，由光檢測(cè)器恢復(fù)原來(lái)以不同波長(zhǎng)傳遞的電信號(hào)。由于光信號(hào)在傳遞中會(huì)逐步衰減拣度，為了達(dá)到長(zhǎng)距離傳輸?shù)哪康乃橐铮扛粢欢ň嚯x需要通過(guò)摻鉺光纖放大器將其信號(hào)放大。

　　3無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)(手機(jī))

　　無(wú)線(xiàn)通信的基礎(chǔ)是蜂窩式移動(dòng)電話(huà)抗果，它的早期制式是貝爾實(shí)驗(yàn)室在1978年推出的“先進(jìn)移動(dòng)電話(huà)服務(wù)”系統(tǒng)(AMPS)筋帖。該系統(tǒng)是將服務(wù)的區(qū)域分成許多小的六角形的地理區(qū)域(cell)，就像蜂窩一樣(見(jiàn)圖19)冤馏。每個(gè)小區(qū)內(nèi)有低功率的無(wú)線(xiàn)電話(huà)發(fā)射器日麸、接收器和一個(gè)控制系統(tǒng)，形成一個(gè)基站逮光。各服務(wù)區(qū)的基站通過(guò)光纖連接到中央交換實(shí)體(移動(dòng)電話(huà)局)代箭，該實(shí)體裝有電子交換系統(tǒng)∈呃剑基站網(wǎng)絡(luò)追蹤移動(dòng)終端的位置人薯，當(dāng)移動(dòng)終端到達(dá)另一小區(qū)時(shí)能自動(dòng)與鄰近的基站重建聯(lián)系，以便繼續(xù)通話(huà)阶糖。由于小區(qū)內(nèi)的無(wú)線(xiàn)通話(huà)功率低吸辑，只影響限定的范圍，因而與別的小區(qū)的通信信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生干擾秃练。

　　第一個(gè)AMPS系統(tǒng)在1979年7月在芝加哥試驗(yàn)成功串飘。1992年4月，AT&T公司微電子集團(tuán)宣布制成新一代數(shù)字蜂窩電話(huà)的集成電路芯片，使該公司成為移動(dòng)通信數(shù)字信號(hào)處理元件的領(lǐng)先供應(yīng)者钳砰。這種數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成DSP1600系列盅妹，它使手機(jī)的體積和功率大大減小，在市場(chǎng)上大受用戶(hù)歡迎衩缘。

　　除了手機(jī)通信以外吊违，還有其它的無(wú)線(xiàn)通信手段(見(jiàn)圖20)，包括：衛(wèi)星傳輸高清晰度電視延都、衛(wèi)星間通訊雷猪、多點(diǎn)視頻通訊、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)晰房、交通工具之間的通訊求摇、以及防撞雷達(dá)等。它們的工作頻率在微波波段殊者，從幾個(gè)GHz到100GHz与境。

　　各種無(wú)線(xiàn)通信及其工作頻率。波段從微米到毫米波段猖吴，頻率為20-80 GHz摔刁。

　　無(wú)線(xiàn)通訊中最關(guān)鍵的器件是半導(dǎo)體高頻振蕩器件，目前有2種：高電子遷移率晶體管(HEMT)和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)海蔽。它們實(shí)際上就是典型的三極管共屈，但由于利用分子束外延技術(shù)，n-p-n每一層都可以做得很薄党窜，縮小了電子運(yùn)動(dòng)的路徑拗引，具有高的截止頻率fT。目前這兩種器件的截止頻率都已達(dá)到了100GHz以上茧淮，滿(mǎn)足了無(wú)線(xiàn)通信的需要椿烂。

　　npn型雙極晶體管截面圖

　　4半導(dǎo)體太陽(yáng)電池——太陽(yáng)電池用硅材料

　　太陽(yáng)電池用硅材料主要包括：直拉硅單晶、非晶硅着阿、帶狀硅和薄膜多晶硅伍配，這些材料在實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)中制成的太陽(yáng)電池的效率如圖22。

　　目前鑄造多晶硅占太陽(yáng)能電池材料的47.54%绷举，是最主要的太陽(yáng)電池材料铣瞒。到2004年，鑄造多晶硅的市場(chǎng)份額已經(jīng)超過(guò)53%嘉散。直拉單晶硅占35.17%，占據(jù)第二位双漫，而非晶硅薄膜占8.3%完憨，位于第三位，而化合物半導(dǎo)體CuInSe和CdTe僅占0.6%。

　　5半導(dǎo)體太陽(yáng)電池——多晶硅太陽(yáng)電池

　　直到上世紀(jì)90年代巫庵，太陽(yáng)能光伏工業(yè)還是主要建立在硅單晶的基礎(chǔ)上旋乙。雖然硅單晶電池的成本在不斷下降，但是和常規(guī)電力相比還是缺乏競(jìng)爭(zhēng)力右冻，因此装蓬，不斷降低成本是光伏界追求的目標(biāo)。自上世紀(jì)80年代鑄造多晶硅 的發(fā)明和應(yīng)用以來(lái)纱扭，增長(zhǎng)迅速牍帚。它以相對(duì)低成本、高效率的優(yōu)勢(shì)不斷擠占單晶硅的市場(chǎng)乳蛾，成為最有競(jìng)爭(zhēng)力的太陽(yáng)電池材料暗赶，到本世紀(jì)初，已占到50%以上肃叶，已經(jīng)成為最主要的太陽(yáng)電池材料蹂随。

　　到目前為止，鑄造多晶硅的晶錠重量已經(jīng)達(dá)到300 kg因惭，太陽(yáng)電池片的尺寸達(dá)到210×210 mm2岳锁。到本世紀(jì)初，多晶硅太陽(yáng)電池的效率達(dá)到20.3%蹦魔。在實(shí)際生產(chǎn)中激率，鑄造多晶硅太陽(yáng)電池的最高效率也達(dá)到17.7%左右，接近直拉硅單晶太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率蝴勉。

　　6半導(dǎo)體太陽(yáng)電池——非晶硅薄膜太陽(yáng)電池

　　今日非晶硅薄膜太陽(yáng)電池已發(fā)展成為實(shí)用廉價(jià)的太陽(yáng)電池品種之一私庇，具有相當(dāng)?shù)墓I(yè)規(guī)模。世界上非晶硅太陽(yáng)電池的總組件生產(chǎn)能力達(dá)到每年50MW以上生肖，組件及相關(guān)產(chǎn)品的銷(xiāo)售額在10億美元以上舀蚕。應(yīng)用范圍小到手表、計(jì)算器電源盘瞄，大到10MW級(jí)的獨(dú)立電站厢申，對(duì)太陽(yáng)能光伏的發(fā)展起了重要的推動(dòng)作用。

　　和晶體硅相比裹侍，非晶硅薄膜具有制備工藝簡(jiǎn)單钧饥、成本低和可大面積連續(xù)生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。在太陽(yáng)電池領(lǐng)域驳鸿，其優(yōu)點(diǎn)具體表現(xiàn)為：

　　(1)材料和制造工藝成本低嫩誉。這是因?yàn)榉蔷Ч璞∧ぬ?yáng)電池是制備在廉價(jià)的襯底材料上，如玻璃动苍、不銹鋼尚憔、塑料等镰吆，其價(jià)格低廉;而且，非晶硅薄膜僅有數(shù)千埃厚度跑慕，不足晶體硅電池厚度的百分之一万皿，這也大大降低了硅原材料的成本;進(jìn)一步而言，非晶硅制備是在低溫進(jìn)行核行，其沉積溫度為100℃~300℃牢硅，顯然，規(guī)模生產(chǎn)的能耗小芝雪，可以大幅度降低成本减余。

　　(2)易于形成大規(guī)模生產(chǎn)能力。

　　(3)多品種和多用途绵脯。

　　(4)易實(shí)現(xiàn)柔性電池佳励。非晶硅可以制備在柔性的襯底上，而且它的硅網(wǎng)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能特殊蛆挫，因此赃承，它可以制備成輕型、柔性太陽(yáng)電池悴侵，易于和建筑集成瞧剖，以及各種日常用品。

　　但是灌滤，和晶體硅相比名娶，非晶硅太陽(yáng)電池的效率相對(duì)較低，在實(shí)驗(yàn)室電池的穩(wěn)定的最高轉(zhuǎn)換效率只有16%左右;在實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)上誉芙，效率不超過(guò)10%;而且健娄，非晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)化效率在太陽(yáng)光的長(zhǎng)期照射下有嚴(yán)重地衰減，到目前為止仍然沒(méi)有根本解決尿笔。

　　另外翁焦，還有軍事和衛(wèi)星用的化合物太陽(yáng)能疊層電池。

　　7半導(dǎo)體白光照明

　　1.發(fā)展半導(dǎo)體白光照明意義

　　氮化鎵發(fā)光管(LED)是一種高效長(zhǎng)壽命的固態(tài)照明光源临颈。白熾燈茎倘、熒光燈是目前面廣量大的傳統(tǒng)白光照明光源。白熾燈是一種熱光(色溫2800K)蚂青，含有大量的紅外線(xiàn)租江，工作壽命短，發(fā)光效率低孝承，而熒光燈則是一種冷光献丑，高效率，但壽命短侠姑，有毒(含汞)阳距。與傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈相比塔粒，氮化鎵發(fā)光管是一種具有體積小结借、重量輕筐摘、電壓低、效率高船老、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)的固態(tài)照明冷光源咖熟，因此是一種節(jié)能、綠色照明光源柳畔。

　　氮化鎵LED目前已經(jīng)用在許多場(chǎng)合：景觀燈馍管、交通燈、汽車(chē)尾燈薪韩、大屏幕顯示燈确沸。

　　能源是經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展不可缺少的要素俘陷，節(jié)約能源境愕、提高能效是可持續(xù)發(fā)展能源的重大戰(zhàn)略。據(jù)統(tǒng)計(jì)颁膊，全世界“照明”耗能約占總電功率的20%停楞。由于LED高效發(fā)光，LED白光照明可節(jié)省大量的發(fā)電煤和原油使用量撒殷，全球每年可減少25億噸CO2排放量羔漂。因此，氮化鎵LED白光照明具有巨大的市場(chǎng)前景杏县，將來(lái)成本和效率問(wèn)題解決以后匹说，可代替目前廣泛使用的白熾燈和熒光燈，引發(fā)一次白光照明技術(shù)革命戳橱。國(guó)際上把半導(dǎo)體照明光源中期目標(biāo)(5-10年內(nèi))定為》100 lm/W卫驯，2020年達(dá)到200 lm/W或300 lm/W，這樣就可替代傳統(tǒng)照明瑞捂。

　　2.氮化鎵LED白光照明的技術(shù)途徑

　　眾所周知贸左，由紅(Red)、綠(Green)酷麦、藍(lán)(Blue)三基色可合成白光矿卑，如圖24所示。該圖為1931色度圖沃饶，三角形中央虛線(xiàn)區(qū)為白光區(qū)母廷。氮化鎵LED一般只能發(fā)出一種顏色的光。白光照明也要通過(guò)RGB三基色的合成來(lái)實(shí)現(xiàn)糊肤。RGB三基色可以直接靠LED發(fā)射三基色光琴昆，也可用LED去激發(fā)熒光物質(zhì)氓鄙，通過(guò)二次光轉(zhuǎn)換獲得三基色光或準(zhǔn)三基色光。

　　所以业舍，實(shí)現(xiàn)氮化鎵LED白光照明有兩種技術(shù)途徑：一種是利用氮化鎵發(fā)光二極管(LED)去激發(fā)熒光物質(zhì)轉(zhuǎn)換成白光抖拦，可稱(chēng)作為“二次光轉(zhuǎn)換白光技術(shù)”;另一種是利用LED直接發(fā)射白光，可稱(chēng)作為“直接發(fā)射白光技術(shù)”舷暮。

　　3. LED白光照明技術(shù)發(fā)展方向

　　(1)研究發(fā)展近紫外态罪、深紫外LED器件，實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)的“固體白光熒光燈”下面。這種白光技術(shù)具有顯色指數(shù)高(CRI》90)复颈、轉(zhuǎn)換效率高(外量子效率43%)，色彩重現(xiàn)性高等特點(diǎn)董翻，是一種較理想的白光源圾董。

　　(2)研究發(fā)展III族氮化物L(fēng)ED直接發(fā)射白光技術(shù)

　　(3)研究提高LED發(fā)光效率、光通量桨挂，發(fā)展功率型LED其器件

　　傳統(tǒng)白熾燈發(fā)光效率為16 lm/W几谐，熒光燈發(fā)光效率為85 lm/W，因此班卖，Ⅲ族氮化物L(fēng)ED白光照明光源要替代白熾燈和熒光燈随象，其發(fā)光效率至少要超過(guò)100 lm/W，同時(shí)要降低成本呆纤。

　　8光盤(pán)存儲(chǔ)和激光測(cè)距聪蔬、激光打印、激光儀器

　　光盤(pán)存儲(chǔ)和激光測(cè)距屯片、激光打印无价、激光儀器等是半導(dǎo)體激光器的另一重大應(yīng)用領(lǐng)域。CD盤(pán)(只讀聲盤(pán))床重、DVD(數(shù)值可視盤(pán))所用的激光器波長(zhǎng)分別為780nm和670nm琳柱、650nm，由激光器將信息“寫(xiě)”入光盤(pán)或者從光盤(pán)上“讀”出聲音或光信號(hào)拙徽。激光器的波長(zhǎng)越短刨沦，光盤(pán)存儲(chǔ)密度就越高。波長(zhǎng)為410nm的InGaN激光器可以將光盤(pán)的存儲(chǔ)量再提高一大步膘怕。波長(zhǎng)為670-630nm的InGaAlP激光器已在許多場(chǎng)合取代了He-Ne激光器想诅，在激光測(cè)距、激光打印岛心、激光醫(yī)療儀器中得到了重要的應(yīng)用来破。

　　9半導(dǎo)體激光器的軍事應(yīng)用

　　波長(zhǎng)為808nm的AlGaAs大功率激光器是大功率YAG(摻釔鋁石榴石)固體激光器的泵浦光源，代替了原來(lái)的氙氣激光器忘古，取消了龐大的電源和冷卻系統(tǒng)徘禁，使固體激光器變得高效率诅诱、小體積、高性能送朱、長(zhǎng)壽命娘荡、低成本，適合于軍事應(yīng)用骤菠，例如激光雷達(dá)和核爆炸模擬它改、核聚變研究。水下光傳播的窗口為590nm刃傻，藍(lán)綠光激光器的誕生為水下通信開(kāi)了綠燈〔勒鳎火箭鸣谒、飛機(jī)飛行過(guò)程中掌握方向的光纖陀螺中最關(guān)鍵的器件是半導(dǎo)體超輻射發(fā)光二極管。

　　10環(huán)境保護(hù)

　　大自然中视以，水汽沟奸、甲烷、氨氣购哺、二氧化碳扶取、一氧化碳、鹽酸人狞、溴酸芜田、硫化氫等氣體的靈敏吸收峰在1.5-2.0mm范圍。InAsSb或GaInAsSb應(yīng)變量子阱激光器的波長(zhǎng)可達(dá)1.0-4.0mm范圍欢礼，近年來(lái)出現(xiàn)的量子級(jí)聯(lián)激光器的波長(zhǎng)可達(dá)4.0-17mm蜈沛。這些覆蓋了紅外-遠(yuǎn)紅外范圍的各類(lèi)激光，構(gòu)成了大氣監(jiān)控革半、監(jiān)測(cè)的環(huán)保衛(wèi)士碑定。

　　半導(dǎo)體技術(shù)的未來(lái)發(fā)展

　　1信息技術(shù)的革命

　　信息傳輸。信息量的爆炸式的增加又官，對(duì)信息通道的容量要求越來(lái)越大延刘。在網(wǎng)上傳遞的不僅是文字、而且還有音樂(lè)六敬、圖像碘赖、電視信號(hào)等;不僅是有線(xiàn)，還需要無(wú)線(xiàn);不僅是洲際觉阅、國(guó)際崖疤、城際，而且需要局域網(wǎng)典勇。為此需要發(fā)展新的通信系統(tǒng)劫哼，如綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)(ISDN)以及多媒體技術(shù)等叮趴。

　　信息處理，包括文本處理权烧、知識(shí)處理丰躺、圖像處理以及語(yǔ)言識(shí)別、圖像識(shí)別励邓、智能化處理等肄琉。人工智能就是通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了某些人的智能。例如：理解和發(fā)出語(yǔ)言窟礼、識(shí)別圖像洋训、作數(shù)學(xué)證明、下棋绰尖、音樂(lè)作曲妙散、進(jìn)行專(zhuān)業(yè)鑒定、醫(yī)學(xué)診斷等吹磕。計(jì)算機(jī)將把人們從一部分日常的腦力勞動(dòng)中解放出來(lái)诅慧，并且通過(guò)應(yīng)用“思維工具”把人們的智慧擴(kuò)大到以前不可想象的程度。

　　2更高的集成度

　　世界集成電路主流工藝將經(jīng)過(guò)：2007年的65納米(集成電路線(xiàn)寬)壤牙、2010年的45納米班聂、2013年的33納米、以及2016年的22納米工業(yè)化生產(chǎn)的4個(gè)發(fā)展階段适肠。為此霍衫，就必須解決一系列的關(guān)鍵技術(shù)和專(zhuān)用設(shè)備，如：新型器件的研發(fā)(非傳統(tǒng)CMOS器件迂猴、新型存儲(chǔ)器慕淡、邏輯器件等)，IC設(shè)計(jì)沸毁、封裝峰髓、和測(cè)試技術(shù)，新型光刻機(jī)息尺、刻蝕機(jī)等配套設(shè)備等携兵。

　　半導(dǎo)體器件的尺寸不能無(wú)限制地減小，如果器件尺寸小到電子的德波羅依波長(zhǎng)(10納米)搂誉，量子效應(yīng)將會(huì)更加明顯徐紧，這時(shí)需要設(shè)計(jì)建立在量子力學(xué)原理基礎(chǔ)上的新型半導(dǎo)體器件。

　　3半導(dǎo)體光電器件向更長(zhǎng)和更短波長(zhǎng)炭懊、更大功率并级、更高工作頻率的方向發(fā)展

　　大功率激光器列陣分準(zhǔn)連續(xù)(QCW)器件與連續(xù)(CW)器件，它們除了作固體激光器的泵浦源外，還可直接用作材料加工迈窗、醫(yī)療夭蒜、儀器、敏感技術(shù)惑妥、印刷制版等值舌，進(jìn)入傳統(tǒng)中由非半導(dǎo)體激光器主宰的市場(chǎng)，代替氣體示荠、固體激光器漓蜗。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)雙極晶體管具有線(xiàn)性好、電流容量大节立、閾值電流均勻等優(yōu)點(diǎn)螃恕，主要應(yīng)用在線(xiàn)性度要求高、工作環(huán)境苛刻的大功率微波系統(tǒng)中藐檀，如軍用雷達(dá)锻转、通信等;還可應(yīng)用于在苛刻環(huán)境下工作的智能機(jī)器人等系統(tǒng)中。

　　4集成光學(xué)和集成光電子學(xué)

　　由集成在半導(dǎo)體薄膜上的激光器晨墓、調(diào)制器、波導(dǎo)侍瑟、光柵唐片、棱鏡和其它無(wú)源光學(xué)元件構(gòu)成的系統(tǒng)叫做集成光學(xué)系統(tǒng)。集成光學(xué)系統(tǒng)用光互連代替電互連涨颜，在計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)中具有通帶寬费韭、信息量大、損耗小庭瑰、速度快星持、能并行處理、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)弹灭。硅材料的成本低廉督暂、工藝成熟，在微電子器件中得到廣泛應(yīng)用穷吮。但是由于它是間接帶隙材料逻翁，不能作發(fā)光器件。目前科學(xué)家們正在解決光源的問(wèn)題捡鱼，以便在硅材料上做到光電集成八回。

　　5半導(dǎo)體超晶格和量子線(xiàn)、量子點(diǎn)器件

　　半導(dǎo)體超晶格逛径、量子線(xiàn)撼烹、量子點(diǎn)是低維結(jié)構(gòu)，它們具有一些特殊的物理性質(zhì)，如量子限制效應(yīng)和電子運(yùn)動(dòng)的二維或一維特性远燕，可以制成一些性能優(yōu)異的器件久泞，如：激光器、高電子遷移率器件英鸵、光雙穩(wěn)器件铁磕、共振隧穿器件等。當(dāng)器件的尺寸酿边、維度進(jìn)一步減小剖宪，使得電子運(yùn)動(dòng)的平均自由程大于器件的尺寸時(shí)，電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將不受雜質(zhì)恶恨、晶格振動(dòng)等的散射雨晃，而作一種相干波運(yùn)動(dòng)。利用這些特點(diǎn)預(yù)計(jì)可制造出超高速痴猖、超低電能的電子器件躺刷。例如量子點(diǎn)單電子晶體管將使動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)的功耗大大降低。

　　6半導(dǎo)體量子信息器件

　　目前的工藝已經(jīng)能在半導(dǎo)體量子點(diǎn)上產(chǎn)生和探測(cè)單個(gè)光子狞洋，使得半導(dǎo)體量子點(diǎn)成為實(shí)現(xiàn)量子信息處理(量子計(jì)算弯淘、量子通信)最有希望的固體器件。量子信息科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展吉懊，為精密測(cè)量庐橙、量子計(jì)算和保密通訊等領(lǐng)域都提供了全新的革命性的理論和實(shí)驗(yàn)方法。量子信息最關(guān)鍵的是利用光子的相干性借嗽。光子作為量子理論中最基本的量子化實(shí)體态鳖，能夠很容易地實(shí)現(xiàn)收集、傳遞恶导、復(fù)制浆竭、存儲(chǔ)和處理信息的全過(guò)程，具有作為量子通訊惨寿、量子計(jì)算載體的獨(dú)特的先天優(yōu)勢(shì)邦泄。因此基于光子過(guò)程的量子信息處理器件是各種量子信息工程的基礎(chǔ)，它的基本原理研究和制備必將為計(jì)算科學(xué)和通訊能力帶來(lái)飛越式的發(fā)展缤沦。

　　7自旋電子器件

　　目前微電子器件是應(yīng)用載流子電荷攜帶信息虎韵。如果一種材料能同時(shí)利用載流子的電荷和自旋屬性作為信息的載體，將可以制造出具有非揮發(fā)赎冶、低功耗扣飘、高速和高集成度的優(yōu)點(diǎn)的器件，甚至有可能引起電子信息科學(xué)重大的變革幌舍。摻磁性離子的稀磁半導(dǎo)體及自旋電子學(xué)(Spintronics)即應(yīng)此要求而生杀蝌。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體中自旋相干時(shí)間已經(jīng)達(dá)到ns量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電荷的相干時(shí)間咖播，預(yù)示著自旋電子學(xué)在未來(lái)量子計(jì)算和量子通信中的重要應(yīng)用前景驴嚣。實(shí)現(xiàn)自旋為基的量子計(jì)算機(jī)的主要困難是精確控制和保持自旋相干，因此如何產(chǎn)生自旋相干電子態(tài)铣佛，以及減小自旋退相干有許多物理問(wèn)題需要研究和解決黔巨。

 

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