Question

固体物理学的半导体

Answer 1

导电能力远远小于金属，但对环境温度、掺入杂质、光照、应力等因素很敏感。1947年W.肖克莱、J.巴丁和W.布拉坦发明锗晶体管，1960年硅晶体管平面工艺问世，1962年出现集成电路（IC），1968年起生产大规模集成电路。此后，半导体器件集成度以每18个月增加一倍的速度发展，现今在单个硅芯片上可集成晶体管达十亿个，大尺寸硅单晶是信息产业的主要材料。 　　硅是4价元素，凝聚成共价晶体。掺入5价的磷或砷，形成电子导电的N型硅。若掺入3价的硼或铝，硅的价带具有带正电荷粒子的导电行为，称之为P型硅。半导体的P型和N型区会接处是一个PN结。当P区相对对N区处于正电位（即正向电压）时，通过PN结的电流很大；而电压反向时电流很小。因此，PN结具有整流性质。晶体管则是两个背靠背的PN结构成的PNP或NPN三极管，具有放大电流信号的功能。1975年W.斯皮尔等解决了非晶硅也能掺杂成为N型或P型的技术。1976年就有非晶硅太阳能电池问世，其转换效率已达13%—14%。 　　Ⅲ–Ⅴ族和Ⅱ–Ⅵ族极性半导体的大多数都是具有直接能隙的材料，非常有利于导带电子与价带空穴直接复合，发射出相应频率的光，这些半导体的PN结可作为发光二极管，光的颜色取决于半导体材料。经特殊设计的砷化镓PN结或砷化镓–铝镓砷异质结，在特定工作条件下会产生受激辐射和光放大，发射出具有相干性的确定频率的光，这就是半导体激光。1969年江崎等提出半导体超晶格的新概念，此后超晶格和量子阱成为半导体物理研究和光电器件开发的重要领域。半导体亦是光通信、光电子技术、光子技术的重要支柱。 　　硅微电子技术正向它的“极限”发展，当器件中线条宽度缩小到纳米尺度，便与电子的德布罗意波长相当，这时量子效应凸现。依照电子受限制的条件，半导体纳米器件大体有量子点器件、共振隧穿器件和单电子器件三类。 　　20世纪60年代起，在金属–氧化物–硅场效应管（MOSFET）的沟道中及异质结量子阱中二维电子气成为热点研究领域。von.克利青于1980年发现霍耳电阻：
RH=n－1h/e2
呈平台，n为整数，称为整数量子霍耳效应，已被国际计量机构选作电阻标准。1982年崔琦，H.施特默等发现新的霍耳电阻平台，n为奇分母有理数，称为分数量子霍耳效应。R.劳克林于1983年对该效应给出理论阐明。