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[转载]金刚石——最好的半导体材料(英文)
jackiemwd 2013-7-15 12:15
AKHAN Tech and Argonne Nat'l Lab (CNM) Win Prestigious RD 100 Award for Miraj Diamond™ Platform AKHAN Technologies, Inc. today announced that its Miraj Diamond™ Platform, developed in collaboration with the Center for Nanoscale Materials (CNM) at Argonne National Laboratory, has been recognized by RD Magazine as one of the 100 most technologically significant products introduced during the past year, garnering an RD 100 award-- widely recognized as the "Oscars of Innovation." CHICAGO, July 8, 2013 /PRNewswire/ -- AKHAN Technologies, Inc., the global leader in diamond semiconductor technology, today announced that its Miraj Diamond™ Platform, developed in collaboration with the Center for Nanoscale Materials (CNM) at Argonne National Laboratory, has been recognized by RD Magazine as one of the 100 most technologically significant products introduced during the past year. The RD 100 award, widely recognized as the "Oscars of Innovation," highlights the work of team leader Anirudha Sumant, staff scientist at CNM, and inventor Adam Khan, Founder and CEO of AKHAN Technologies, Inc. The magazine will publicize the full list of winners in its October 2013 issue. According to its site, since 1963 the RD 100 Awards have identified revolutionary technologies newly introduced to the market. Many of these have become household names, helping shape everyday life for many Americans. These include the flashcube (1965), the automated teller machine (1973), the halogen lamp (1974), the fax machine (1975), the liquid crystal display (1980), the Kodak Photo CD (1991), the Nicoderm anti-smoking patch (1992), Taxol anticancer drug (1993), lab on a chip (1996), and HDTV (1998). More recent breakthroughs that have earned RD 100 Awards include next-generation magnetic resonance imaging machines, laser-based metal-forming tools, and the building blocks for fusion experiments. The Miraj Diamond™ Platform (CMOS compatible N-type nanocrystalline diamond thin film technology), represents the combination of two recently enabled diamond technologies-- low-temperature nanocrystalline diamond deposition technology developed by CNM ( presently exclusively licensed by AKHAN ) and the efficient n-type doping process developed by AKHAN. The combination of the technologies allows for a first time commercially feasible approach translating to next generation device performance with lower associated per-unit costs. The technology aims to further enable applications for Radio Frequency (RF) and Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMIC) devices widely used in the telecommunication, defense, and commercial avionics markets. To view the full release please visit http://www.akhantech.com or click here Contact: 847-382-9568 Photo(s): http://www.prlog.org/12170090
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《硅火燎原》-11-半导体的能带
热度 5 tianrong1945 2013-7-8 08:21
11.半导体的能带 真空中自由电子的费米面是球面,如果考虑固体中的离子晶格对共有电子的作用,这个球面便发生畸变。和以前讨论过的能带情形类似,费米面的畸变主要发生在布里渊区的边界处。因为晶体势场的影响使费米面的形状变得复杂,也就是使电子的输运性质变得复杂,所以,研究费米面的形状能对固体的导电机制提供许多有用资料,见图 11.1(a)。 费米能级是电子填充能级水平高低的标志。费米能级在能带图中的位置随材料的不同而不同,见图 11.1(b)。 图 11.1 在公式( 10.1)所描述的费米狄拉克统计分布规律中,如果令电子的能量E等于费米能级E F ,便将得到这时候分布的概率等于二分之一。当电子能量大于费米能级时,能级被占据的几率将小于1/2;而当电子能量小于费米能级时,能级被占据的几率将大于1/2。此外,从图11.1b还可以看出,对半导体及绝缘体而言,费米能级并不是一个电子可以具有的真实能级,因为它位于能带图的禁带中。 材料的导电性与其原子结构有关。根据原子结构的理论,如果最外层有 8个电子,便能形成稳定结构。当最外层电子数不是8时,原子总是希望通过得失电子或者与其它原子共用电子来达到稳定结构。比如说,金属铜的原子的最外层只有1个电子,离稳定结构还差7个电子,差距太大了,所以原子希望失去它。因此,这个电子受铜原子的约束力比较小,孤零零地像个无家可归的流浪汉,很容易变成自由电子到处跑。正因为存在这些自由电子,铜具有良好的导电性。 对半导体来说,就不是那么容易形成自由电子了。因为常用的半导体材料比如硅和锗,都是 4价的元素,即每个原子的最外层有4个电子。不多也不少,刚好是稳定数目的一半,得到或失去足够的电子数都不那么容易。在这种情况下,当很多原子结合成晶体时,它们采取了一个好办法形成稳定结构。 图 11.2 如图 11.2a所示,硅和锗的原子外层的4个电子,就像是伸出了4只手,分别和它周围最邻近的四个原子牵起手来。如此一来,每个原子的最外层都像是有了8个原子,成为稳定结构。原子们都很高兴,不亦乐乎。不过,科学家们不满意,因为在这种结构下,半导体中没有多少自由电子,导电性并不强。 在第五节中,我们曾经提到过半导体的掺杂性。没有掺杂的纯净半导体叫做本征半导体。如果在本征半导体中加入少量的杂质,便能大大地改变材料的导电性能。比如,图 11.2b所示的,是掺进的杂质原子最外层有5个电子的情况。掺杂后,杂质原子取代了原材料中的某个原子,也和其它原子牵起手来。但是,除了4个牵手的电子之外,它还有一个多余的电子。这个电子没人牵手,也成了孤零零的流浪汉-自由电子。这些自由电子逛荡在半导体中,加强了半导体的导电性。这种因电子多余出来而能导电的半导体被称为n型半导体。 如果掺进的杂质的原子最外层有 3个电子的话,情况又如何呢?看一下图11.2c就明白了。这时候牵手的电子不够,少了一个,那也就等于是在晶格结构中多了一个‘空穴’。这种情形其实和上面所述的n型半导体情形很相似,导电性也加强了,只不过这时形成电荷输运的‘粒子’不是带负电的电子,而是带正电的‘空穴’。这种由于空穴多余出来而能导电的半导体被称为p型半导体。 综上所述,半导体导电不同于金属导电。半导体中,导电的机制不仅可以是由于电子的移动,也可以是由于空穴的移动。电子和空穴都是能运载电流的‘载流子’,在 n型半导体中,电子是多数载流子,空穴是少数载流子。p型半导体中则反过来。 掺杂对半导体的能带图(图 11.3a)会有什么样的影响呢?因为加进了与原材料不同的原子,所以产生了一些新的能级。对n型半导体来说,多出的是共有化的电子,增强了电子导电的能力,因此,这些新能级紧邻原来导带的底部,见图11.3b。 图 11.3 图 11.3c所示的是p型半导体掺杂后的能带变化。这种情况也会产生新的能级,但是,因为这时的多数载流子是空穴而不是电子,所以许多效应都正好与n型半导体相反。比如,因为掺杂而增加的新能级,将紧邻原来价带的顶部,而不是导带的底部了。 前面几节中所说的能带图,描述的是电子具有的能量。如果载流子是空穴的话,是否能画出它们的能带图呢?答案是肯定的,并且不难想象。空穴的能带图只不过是把电子能带图倒过来画(或者倒过来理解)就行了。的确是这样的,你们看,没有电子的导带,就是充满了空穴的满带;而充满了电子的价带,对空穴来说,不就是没有‘空穴’的空带(导带)吗。 掺杂后,对半导体材料还有一个非常重要的影响,就是使费米能级在能隙(禁带)中的位置发生了变化。如图 11.3所示,本征半导体的费米能级,基本上是位于禁带的正中央,离价带顶部和导带底部的距离几乎相等。因为费米能级的高低,是电子导电性的标志,也就好像是大多数电子‘住在哪个高度’的一个平均值。n型半导体的自由电子多了,更多的电子‘入住’到导带底部,所以,n型半导体的费米能级便往导带方向移动。p型半导体则反之,费米能级向下朝价带顶部移动。掺杂的浓度越高,费米能级便越靠近导带底(n型)或价带顶(p型)。 费米能级的重要意义还在于,它不仅仅能在某种单一材料中判断各个能级上电子的分布,而且当多种材料接触在一起,从非平衡向平衡过渡时,它是标志最后达到平衡态的一个重要参数。 两种材料接触而连成一个系统,它们原来的费米能级可能有所不同,这将会引起载流子的迁移,最后达到平衡时,整个系统将具有一个统一的费米能级值。 我们曾经将能带图比喻成在一个蜿蜒连绵的山区中,沿着山坡谷底高高低低建造的许多房子。电子喜欢住得低一点,所以,在某一个高度之下,房子全住满了,某个高度之上全空着,这个高度被称为‘费米能级’。现在,如果两片‘费米能级’不同的山区被打通了,电子可以互相搬来搬去的话,原来住在‘费米能级’更高的区域的电子,便会发现另外一边有更低的房子,就会立即搬家到另外一边,这种迁徙会一直进行,直到两边住满电子的房间高度差不多了,产生出一个共同的、相等的新‘费米能级’时为止。 tu-11.pdf 上一篇: 费米能级 系列科普目录 下一篇: 接触产生奇迹
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从事了半导体工作一年零一个月
热度 3 shg841100 2013-6-13 22:13
总觉得应该在功率半导体器件方面有所建树吧!!加油吧少年!!!!希望从事这个领域的同行能多在此交流吧!!!目前从事三极管的产品设计!!!!
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[转载]2D原子晶体辉钼(MoS2)-新型半导体材料
hanlingeorge 2013-6-9 17:21
瑞士洛桑联邦理工学院( EPFL )纳米电子学与结构( LANES )实验室称,用一种名为辉钼( MoS 2 )的单分子层材料制造半导体,或用来制造更小、能效更高的电子芯片,在下一代纳米电子设备领域,将比传统的硅材料或富勒烯更有优势。研究论文发表在 1 月 30 日的《自然—纳米技术》杂志上。 辉钼在自然界中含量丰富,通常用于合金钢或润滑油添加剂中的成分,在电子学领域尚未得到广泛研究。“它是一种二维材料,非常薄,很容易用在纳米技术上,在制造微型晶体管、发光二极管( LEDs )、太阳能电池等方面有很大潜力。”洛桑联邦理工学院教授安德列斯·凯斯说,他们将这种材料同硅以及当前主要用于电子和计算机芯片的富勒烯进行了对比。 同硅相比,辉钼的优势之一是体积更小,辉钼单分子层是二维的,而硅是一种三维材料。“在一张 0.65 纳米厚的辉钼薄膜上,电子运动和在两纳米厚的硅薄膜上一样容易。”凯斯解释说,“但目前不可能把硅薄膜做得像辉钼薄膜那么薄。” 辉钼的另一大优势是比硅的能耗更低。在固态物理学中,能带理论描述了在特定材料中电子的能量。在半导体中,自由电子存在于这些能带之间,称为“带隙”。如果带隙不太小也不太大,某些电子就能跳过带隙,能更有效控制材料的电子行为,开关电路更容易。 辉钼单分子层内部天然就有较大的带隙,虽然它的电子流动性较差,但在制造晶体管时,用一种氧化铪介质栅门就可使室温下单层辉钼的运动性大大提高,达到富勒烯纳米带的水平。富勒烯没有带隙,要想在上面人为造出带隙非常复杂,还会降低其电子流动性,或者需要高电压。由于辉钼直接就有带隙,可以用单层辉钼制造间带通道场效应晶体管,且在稳定状态下耗能比传统硅晶体管小 10 万倍。在光电子学和能量捕获应用领域,单层辉钼还能与富勒烯共同使用,形成优势互补。(来源:科技日报 常丽君)
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半导体的单晶硅
liwei999 2013-5-22 15:40
半导体的单晶硅。 作者: mirror (*) 日期: 05/21/2013 19:00:27 一般认为半导体级别 的单晶硅纯度很高,有些教科书上说6N,也有说11N的。这些说法都是所谓的“传说”。纯不假,但是也不至于到那么“纯”。所谓“纯”,不过是对某些事情、某些存在“ 视而不见 ”罢了。单晶硅的11N,是指影响电子材料性能的那些“杂质”。而人为 掺杂 的那些元素,都不在“杂质”的计算当中。 CZ法或直拉法 是半导体芯片用单晶的主要生产方法。另一种是所谓的 FZ法或区熔法 。这位叫杨威的博客里有很多有关硅的文章,大约是与光伏产业有关的人士吧。 CZ法的种晶(籽晶)在上边,区熔法的种晶(籽晶)在下边。两者的从晶体的外表上可以看出来,CZ的外表更漂亮一些。照片是个区熔法做出的晶体和种晶。与半导体打交道N多年,见到“全须全尾”晶体的时候并不多。这里的“尾”发音yi,京城里不是发音wei。晶体的直径大约有40mm,一碰能发出清脆的金属音叉的声音。 ---------- 就“是”论事儿,就“事儿”论是,就“事儿”论“事儿”。
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《硅火燎原》-5-点石成金
热度 2 tianrong1945 2013-5-17 08:19
5.点石成金 - 半导体的掺杂性 特斯拉梦想的那种取之不竭的能源,也可以靠太阳能电池来实现。太阳能电池大多数用的材料是‘硅’,因此,我们再返回到半导体特性的发现过程。 不同于半导体的姗姗来迟,人类使用金属的历史,可一直追溯到几千年前的青铜时代。虽然金属的最早用途,是作为工具和武器,但早在 17世纪,欧洲科学家已经开始对金属的导电性能有所研究和认识,他们把电流能流过的物体称为导体,不允许电流通过的物体叫做绝缘体。 当然,在现代人眼中,导体和绝缘体的差别更清楚、更量化了。科学家们用一个数字:电阻率,来区分它们。电阻率表明了物体阻挡电流的程度。数字越小,说明越不阻挡,即电流越容易通过。比如,一般将电阻率小于十万分之一( 10^(-5)Ω·m)的材料称为导体,如金属材料等。而将电阻率大于一亿(10^8Ω·m)的材料称为绝缘体,如陶瓷、橡胶、塑料等。 看了上面所说的导体和绝缘体的电阻率的大小范围,疑问自然就来了:导体的电阻率小于十万分之一,绝缘体电阻率大于一亿,中间还有这么一大段,是怎么回事呢?显而易见,物理学家们将那一段范围的电阻率,留给了他们所钟爱的半导体。 用电阻率来区分导体、半导体、绝缘体,使得它们的界限清楚,但同时却又使得它们的界限模糊。这是因为,某种物质的电阻率并非一成不变的,它们会随着温度、光照、种种外界条件的变化而变化。刚才将导体、半导体、绝缘体等物质进行粗略分类的电阻率,指的是常温下的数字。如果条件变化了,各种材料的电阻率会变化。也就是说,一定条件下,原来我们称之为半导体和绝缘体的东西,也有可能表现出导电的性能;原来导电的,也有可能变成不导电。 半导体之所以很晚才被人类所认识,原因之一是因为半导体的另外一个性质:掺杂性。 什么意思呢?就是说,只要半导体材料中加进了微量的杂质,就会使材料的性能有很大改变。而天然的沙子和石头中,虽然包含了大量的硅,但却是非常不纯净的材料,只不过是一块坚硬的石头。硅小姐并不单纯,入污泥而尽染!已经完全没有了原来的秉性。后来,科学家们发展了先进的提纯技术,材料的半导体特性,诸如前面所叙述的:热敏性、光敏性、整流性等等,才得以表现出来。 有趣的是,太纯净的硅,有时在应用上也不是最理想的。 “水至清则无鱼, 人至察则无徒 ”。 如果在纯净的硅晶体中,人为地掺和一些杂质,会得到某些特别的性质,这就是我们下面要提到的 PN结。 尽管很早就有了矿石收音机,但在上世纪 40年代之前,无线电设备大多数使用真空管。因为当时的半导体(矿石)用起来,是如此的不稳定和神秘莫测,那根‘猫胡子’,需要在矿石上移来移去,仔细探索磨蹭老半天,才好不容易使收音机响起来。远不如真空管元件,使用起来既简单又可靠。特别是在1907年,美国发明家德福雷斯特(De Forest Lee),在真空二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板,从而发明了第一只真空三极管之后,这个三脚猫的功夫了得!它的放大作用和开关功能,是当时的半导体完全做不到的。 罗素( Russell Ohl)是美国新泽西州贝尔实验室的一位研究人员。他一直研究硅晶体,注意到硅材料对纯度的敏感性。特别是有一次,1940年2月23日那天,当他用猫胡子探测器的一个旧晶体做实验的时候,发现一个奇怪的现象。 那块旧硅片黑乎乎的,看不太清楚,总也调不出电流来。于是, 罗素 用手电筒照到硅片上,研究是怎么一回事?他注意到在硅片中间有条细小的裂缝,便用电筒的强光照过去。咦!奇怪的事情发生了:线路中接着的电流表使劲地跳动了一下。他连续地用光照射裂缝,电流表便连续指示出一个比 罗素所期望 的值大得多的数字! 罗素又将线路中电源的极性反过来接,那样一来,电路就不通、电流表不动作了。 也就是说,这片硅晶体在光照下表现了整流性,而且,诱发的电流比纯净的硅晶体诱发的电流要大得多。实际上罗素发现,在 光照时,裂缝的两边形成了一个 0.5V左右的电压差, 这是什么原因呢? 图 5.1:a)罗素和Jack Scaff;b)PN结的形成;c)晶体管的发现者 当时,晶体管发明者之一的沃尔特 •布拉顿解释了这个 罗素认为 古怪的现象。 沃尔特·布拉顿于 1902年出生在中国南方美丽的城市厦门,因为他的父亲那时正在中国任教。布拉顿获得物理博士学位后,便在贝尔试验室研究真空管。他被 梅文·凯利叫来看罗素的实验结果时,也感到很吃惊,不过,脑中立刻就 想到了解释。 原因一定是在于硅片上的那道裂纹!裂纹使得晶体两侧的纯度不同,杂质也有所不同。因而造成了一侧有更多的自由电子,而另一侧则有更多的空穴。见图 5.1b。由于电子空穴的异性相吸作用,它们的移动使得在中央裂纹处形成一个薄薄的电压差,这样,电子便只能在一个方向跨越电压差而流动。 后来,专家们把有过多电子载流子的半导体叫做 N型半导体 ,有过多空穴载流子的半导体叫做 P型半导体。当这两种形态的半导体接触在一起时,就形成了一个PN结。 在罗素的实验中,由于光照,电子从 N型半导体中被踢出来,在一个方向(从n到p)形成电子流,这其实就是硅材料的光电效应,罗素所用的硅晶体,就是现代太阳能电池的始祖。 也就是从罗素发现 PN结的那一天开始,贝尔实验室改变了对硅晶体的想法,谁知道呢,没准儿这小玩意儿还真能替代又大又重的真空管啊。 第二次世界大战更是突出了对半导体新材料研究的紧迫性, 1945年夏天,贝尔实验室正式制定了一个庞大的研究计划,决定以固体物理为主要研究方向。这个计划直接导致了晶体管的发现。1948年,贝尔实验室的三个年轻人:威廉•肖克莱、约翰•巴丁、和沃特•布拉顿,成功地制成了世界上第一个半导体三极管。这个被称为“三条腿的魔术师”的东西,使他们获得了1956年度的诺贝尔物理学奖,也使人类迈向了一个崭新的固体电子技术时代。 再后来,肖克莱到加州创建硅谷,招聘人才,将神秘的硅火在硅谷点燃。 上世纪 50年代开始,特别是当初号称‘八大金刚’的肖克莱的追随者们,创建了仙童半导体公司,发明了第一个实用的集成电路之后,半导体技术的发展如日中天。 集成电路的最早构想,是 1952年由英国雷达研究所的电子工程师杜默(GeoffreyW. A. Dummer)提出来的。1958年,德州仪器公司的基尔比用一个硅片,成功地制造出了一个振荡电路,他用半导体作电阻,一个PN结作电容。因为这个简单线路的5个元件集在一个晶片上,所以成为了世界上的第一个集成电路。后来,仙童半导体公司的诺伊斯(RobertNoyce),利用蚀刻等方式,解决了集成电路中导线连接的方法,使集成电路真正走向实用。 从发现、提纯、掺杂,到 PN结,到晶体管,到集成电路,到目前包含几十亿个元件的超大规模集成电路,半导体材料走过了一段漫长的历史,这是一个真正点石成金的过程。如今,睡美人眼中闪烁的硅晶之火,已在全世界掀起燎原之势,蔓延成熊熊烈焰,为人类开辟了一个计算机、通信、电子时代的新纪元。 上一篇: 特斯拉(2) 系列科普目录 下一篇: 原子模型
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2013年10月美国旧金山-半导体化合物国际会议
wuxiang 2013-5-2 19:38
应国立台湾大学朋友要求,在此宣传一下将于2013年10月在美国旧金山举行的第223届电化学国际会议—半导体化合物分会,希望大家踊跃参加: 224 th ECS Meeting San Francisco , California | October 27 – November 1, 2013 The Hilton San Francisco Hotel 333 O’Farrell Street, San Francisco, CA 94102 State-of-the-Art Program on Compound Semiconductors 55 http://www.electrochem.org/images/pdf/sf_call_papers.pdf - Abstracts are due May 17, 2013 or earlier! Abstract Submission is now OPEN! Compound and wide bandgap semiconductors are a significant enabler of numerous optoelectronic, high-speed, power, and sensor electronic materials, devices, and systems. The SOTAPOCS 55 symposium will address the most recent developments in inorganic compound and wide bandgap semiconductor technology, including traditional III-V materials, III-nitrides, II-VI materials, silicon carbide, diamond, and other emerging materials. Papers on both practical and fundamental issues, and new nanoscale investigations and application of compound semiconductor nanomaterials are solicited. The following areas are of particular interest: (1.) Advances in bulk, epitaxial and nanoscale growth technologies; (2.) Advances in device processing; (3.) Novel electronic, optoelectronic, and sensor devices; (4.) Schottky and ohmic contact technology; (5.) Dielectric properties and passivation; (6.) Wafer bonding and packaging; (7.) In situ and ex situ process monitoring; (8.) Material characterization and wafer level testing and mapping; (9.) Process induced defects; and (10.) Reliability and device degradation mechanisms; (11.) Growth and characterization of compound semiconductor nanoscale material and devices. (12.) Compound semiconductor nanodevices. A hard-cover issue of ECS Transactions is planned to be available “AT” the meeting. All authors accepted for presentation must submit their full text manuscript for the issue no later than June 21, 2013. All manuscripts will be submitted online, and must be in either MS Word or PDF format. Abstracts should be submitted electronically using the link above, and questions and inquiries should be sent to the symposium organizers: C. O’Dwyer , Department of Chemistry, and Tyndall National Institute, University College Cork, Cork, Ireland, Tel: +353-21-490-2732, email: c.odwyer@ucc.ie , E. Douglas , Sandia National Laboratories, Tel: 505-844-1674, email: Erica.Douglas@sandia.gov , J. H. He, Institute of Photonics and Optoelectronics Department of Electrical Engineering, National Taiwan University, Tel: +886-2-33669646, email: jhhe@cc.ee.ntu.edu.tw ; S. Jang, Department of Chemical Engineering, Dankook University, Korea, Tel: +82-31-8005-3623, email: jangmountain@dankook.ac.kr Confirmed Invited Speakers : Ying-Hao Chu , National Chiao Tung University , Taiwan Yi Cui , Stanford University , USA Lutz Geelhaar , Paul-Drude-Institute for Solid State Electronics (PDI) , Germany Ali Javey , University of California at Berkeley , USA Chennupati Jagadish , The Australian National University , Australia Hao-Chung Kuo , National Chiao Tung University , Taiwan Lincoln Lauhon , Northwestern University , USA Paul C. McIntyre , Stanford University , USA Taishi Takenobu , Waseda University , Japan Peidong Yang , University of California at Berkeley , USA Meeting Registration All participants, including authors and invited speakers of the 224 th ECS Meeting, are required to pay the registration fees. Registration information will be posted on the ECS website as it becomes available. Registration Fees | view here Hotel Reservations and Travel Information Make your hotel reservation now at The Hilton San Francisco Hotel - the meeting headquarters hotel with special discounted rates starting from $179. The cut-off date to make reservations is September 27, 2013 OR UNTIL THE BLOCK SELLS OUT, whichever comes first. Additional Hotels (proximity to Hilton San Francisco) Villa Florence Hotel : special discounted rates starting from $229. The cut-off date to make reservations is September 27, 2013 OR UNTIL THE BLOCK SELLS OUT, whichever comes first. Abri Hotel : special discounted rates starting from $229. The cut-off date to make reservations is September 27, 2013 OR UNTIL THE BLOCK SELLS OUT, whichever comes first. Transportation and Parking If you require a U. S. VISA, please begin the application process at least three months in advance of the meeting. Please visit the following site for further information: U.S. Visa Information for Foreign Travelers Request ECS Letter of Invitation Student Travel Grants Currency Converter
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《硅火燎原》-2-电光闪烁的物理世家
热度 5 tianrong1945 2013-4-30 08:25
2。电光闪烁的物理世家 法拉第发现了:硫化银的导电性随温度上升而增加。一百多年后的今天,我们把它归纳到半导体的特性之一:热敏性。除了热敏性之外,半导体的特性还有:光敏性、整流性、以及掺杂性。这一节叙述‘光敏性’。 继法拉第之后,法国物理学家 A.E.贝克勒尔 Alexandre-EdmondBecquerel(1820–1891)发现了光生伏特效应。 http://www.medarus.org/Medecins/MedecinsTextes/becquerel.html 贝克勒尔一家四代五个物理学家,见上图。 A.E.贝克勒尔是中间一位,其余的是: AntoineCésar Becquerel (1788-1878), father of A.E.贝克勒尔。 LouisAlfred Becquerel (1814-1862), brother of A.E.贝克勒尔。 HenriBecquerel (1852-1908), son of A.E.贝克勒尔。 JeanBecquerel (1878-1953), grandson of A.E.贝克勒尔。 上图中的几个人,除了第二位贝克勒尔去世早,不广为人知,其余的都成就不凡。 A.E.贝克勒尔的父亲曾在拿破仑麾下服役,滑铁卢战役之后专攻科学,曾促进了电化学的创立,也是率先研究电发光现象的物理教授,A.E.贝克勒尔的儿子亨利·贝可勒尔,因发现天然放射性现象,与居里夫妇分享1903年的诺贝尔物理学奖。他的孙子后来也是法国颇负声名的物理学家。 我们现在知道,电和光都是能量的某种存在方式,这两种能量会互相转换。电转换成光的现象在大自然经常被观察到,比如:带电的大气放电时产生的闪电;科学家在研究放电现象时,也经常观察到的火花和闪光等。但是,从光到电的现象就不是那么普遍了。当时, A.E.贝克勒尔的父亲就是从化学的角度来研究电发光现象。老子研究从‘电’到‘光’,儿子则进一步地想,光是不是也能产生‘电’呢?果然不出所料,1839年,19岁的A.E.贝克勒尔在他父亲的实验室里,第一次观察到了这种现象。 A.E.贝克勒尔将氯化银放在酸性溶液中,用两片浸入电解质溶液的金属(铂)作为电极,见下图。贝克勒尔发现,如果有阳光照射时,两个电极间会产生额外的电压。这不就是‘光’转换成了‘电’吗?贝克勒尔将此现象称为光生伏特效应,这是历史上最早被发现的半导体的第二个特征。 贝克勒尔发现的是液体中的光生伏特效应,也被称为贝克勒尔效应。到 1883年,亚当斯等在金属和硒片上发现固态光伏效应,并制成了第一个“硒光电池” 【 1】 。 1873年,英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下导电性增加,这是半导体又一个与光照有关的特性:光电导效应。 从现代物理学的观点,刚才所说的半导体的两个特性,和 1887年德国物理学家赫茲发现的光电效应,物理本质上是相关的,我们可把它们都归类于半导体的光敏性。也可以把它们统称为‘光电效应’。 光电效应 【 2】 最早是被德国物理学家赫茲发现的。赫茲用两个锌质小球做实验,当他用光线照射一个小球时,则发现有电火花跳过两个小球之间,如果用蓝光或紫外线照射,电火花最明显。这个现象后来( 1905年 )被爱因斯坦从量子力学的观点加以解释,使爱因斯坦得到 1921年的诺贝尔物理奖。 和贝克勒尔家庭类似,赫兹一家也有好几个物理学家。发现光电效应的海因里希·鲁道夫·赫兹( Heinrich Rudolf Hertz,1857-1894)和发现电磁波的赫兹是同一个人。鲁道夫·赫兹虽然只活了36岁,但他的两个发现都举足轻重:电磁波的发现证明了麦克斯韦电磁理论的正确性,而光电效应的发现对量子理论的创立及发展功不可没。 鲁道夫·赫兹的侄子古斯塔夫·路德维希·赫兹( Gustav Ludwig Hertz,1887年-1975年),也是物理学家,量子力学的先驱,1925年诺贝尔物理学奖获得者。路德维希·赫兹的儿子卡尔·赫尔穆特·赫兹(Carl Hellmuth Hertz , 1920-1990 )则发明了医疗用超声波技术和喷墨打印技术。 赫茲发现的是金属的光电效应,半导体也能产生光电效应,统而言之,光电效应指的是因光照而引起物体电学特性的改变。半导体的光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种发生在物体表面,又称外光电效应。后两种发生在物体内部,称为内光电效应。 半导体的光电效应 上图说明了几种光电效应的异同点。半导体材料无光照时,导带上有很少的自由电子。在光照射情况下,低能量的电子吸收了光子能量,从键合状态过度到自由状态。如果光子的能量足够大,使得电子能够逸出物质表面而发射出去,这便是被赫兹所观测到的光电发射效应,或称外光电效应。 如果低能级的电子吸收了光子能量后,并未被发射,而只是被激发跃迁到导带中,大大地增加了自由电子的数目,从而增强了物质的导电性。这种现象被称为:光电导效应。更进一步考虑,如果被光照射的物质材料是不均匀的,或由两种不同的物质层构成的情况。这时,由于两种物质在光照下产生的导电性能变化不一样,使得自由电子偏向于聚集到一种物质而离开另一种物质,由此而形成一个电位差,这便是 1839年首次被贝克勒尔观察到的光生伏特效应。 【 1】W.G. Adams andR.E. Day observed the photovoltaic effect in solidified selenium, and publisheda paper on the selenium cell. 'The action of light on selenium,' inProceedings of the Royal Society, A25, 113. 1877 【 2】Hertz, H.R.Ueber sehr schnelle electrische Schwingungen, Annalen der Physik,vol. 267, no. 7, p. 421-448, May 1887. http://matidavid.com/pioneer_files/Hertz.htm 上一篇:法拉第 系列科普目录 下一篇: 猫胡子侦测器
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《硅火燎原》半导体的人和事-1-法拉第
热度 12 tianrong1945 2013-4-25 09:08
1. 法拉第 地质学家们说,硅是我们地壳成分中仅次于‘氧’的最多的元素,坚硬的岩石、漫天遍地的黄沙、覆盖地球数百米深的土壤层,其中都含有大量的硅。 我们现在知道了,硅是一种半导体。千百年来,‘硅’小姐,以及她的其它的半导体姐妹们,像一个个沉睡的美人,比如,童话故事《睡美人》中的奥罗拉公主那样,静静地躺在黄土和岩石中,等待 菲利甫王子来唤醒她。 是英国物理学家迈克尔·法拉第( Michael Faraday,1791-1867),第一个揭开了半导体材料的美丽面纱。法拉第不同于那个年代大多数玩科学的贵族学者,他生于一个贫苦的铁匠家庭,只读过2年小学,后来却成为了一个著名的科学家。法拉第奋发图强的精神,为我们树立了一个自学成才的杰出典范。 据说在爱因斯坦书房的墙壁上,挂了三幅科学家的肖像:牛顿、麦克斯韦、法拉第。 法拉第被生活所迫, 13岁就当报童,后来在一个订书匠的铺子里打工,因此也使他有机会读了很多的书。后来,法拉第于茫茫书海中探索出他的科学之路,将人生的小舟驶向那一片他毕生钟爱的水域-电和化学。 法拉第的老师,是汉弗里•戴维( H.Davy,1778—1829)。但这两个人的关系,却包含了许多一言难尽的故事。法拉第于戴维,既是学生和助手,又是雇员和仆人;戴维于法拉第,既是发现千里马的百乐,后来却又因嫉妒,当了几回陷害压制千里马不让跑远的小人! 戴维也是一位伟大的科学家,是在元素周期表中发现了最多种元素的人。当年,是戴维将法拉第从一个 20岁的书籍装订工变成了他的皇家学会实验室的助手,尽管这个工作位置的薪金并不高于订书工,但却为法拉第的科学研究开辟了一条阳关大道。紧接着,戴维带着这个助手加仆人遍游欧洲。一路上,戴维那个自认血统高贵的夫人对法拉第颐指气使,大伤法拉第的自尊心,使他有那种被中国人叫做‘忍受胯下之辱’的感觉。 再后来,法拉第作出了许多重大发现,特别是有一个戴维失败了的实验,却被法拉第成功地完成了!那是通电导线在磁场中旋转的实验,实际上也就是说,法拉第造出了世界上第一台电动机的雏形!法拉第的成功令戴维忐忑不安,大科学家的虚荣心受到严重挫伤。戴维不能接受洗瓶子的小实验员超过自己的事实,嫉妒之蛇缠住了他的心灵,使他作出了对法拉第的诬陷,指责法拉第剽窃另一个物理学家沃拉斯顿的成果。之后,即使法拉第在科学界的声望已经大大超过了戴维,但在戴维的打压下,只是‘墙内开花墙外香’的状况。法拉第在皇家学院,仍然是一个拿着低薪的小小实验员!大多数科学家,包括沃拉斯顿在内,都为法拉第鸣不平,联名推荐法拉第成为皇家学会会员。在皇家学院会员选举为法拉第投票的时候,戴维再一次地表现小人之举,投了唯一的一张反对票。 法拉第有高尚的人格,他一直把戴维当作恩师,即使到了耄耋之年,还经常指着戴维的肖像说:“这是一个伟大的人啊!” 戴维于 1829年,50岁时就英年早逝。也许他后来也良心发现?因为在他逝世前几年,疾病缠身之时,他提名推荐法拉第担任他自己担任过的职务:皇家学院实验室主任。另外,据说在戴维临终时,别人问及什么是他一生中最重要的发现时,他没有列举那些周期表里被他发现的元素,而是自豪地说:“我最伟大的发现是发现了法拉第!” 而法拉第平生最伟大的发现又是什么呢?应该是他 1831年发现的电磁感应现象,因为这是发电机的基础,从此开辟了电气时代的新纪元。 现代的人无法想象,如果没有电,世界将会是什么样子?也不知道在另一个星球上,如果存在另一种高等生物构建的文明社会的话,它们是不是也是使用‘电’这个玩意儿? 不管是上帝赋予的必然,还是某种偶然,从认识‘摩擦生电’,到电真正登上人类的生产和生活舞台,一连串的科学家的努力功不可没。其中,法拉第的贡献可以说最为显著。 戴维去世,千里马摆脱了绳索的羁绊,自由自在地驰骋于天地之间。法拉第从1831年开始,从事纯粹的科学研究:从各个角度探讨电、磁、物质之间的关系,他日以继夜地工作,做了无数的实验,写下大量的报告,汇集在《电学实验研究》那部巨著中。因为他杰出的贡献,法拉第被后人誉为最伟大的实验科学家。 科学研究不仅需要时间和精力的投入,还需要勇气,有些科学家甚至付出生命的代价。富兰克林冒着危险,在下雨天放风筝,将雷电从风筝线上引下来,以证明打雷闪电是大气中的‘电’产生的。无独有偶,法拉第则制造过一次人工雷电。法拉第研究静电屏蔽,他做了一个后人称之为‘法拉第笼子’的东西。也就是一个大立方形状的金属架子,上面铺了一层铜网。铜网加上高压电后,劈劈拍拍、火花四起,令人心惊肉跳,法拉第却微笑着站在里面,他以此来证明金属中的电荷聚集在表面上,向大家演示静电屏蔽的作用。 因为法拉第未受过正规教育,数学只知加减乘除,因而使他在发展电磁理论方面受到限制,将此殊荣留给了麦克斯韦。不过,也可能正因为数学不好,法拉第对物理概念理解得特别透彻、精辟、极富创造力,他用场的概念,挑战牛顿的绝对真空和超距作用,提出‘实物粒子,就是力场的中心奇点’的观念,并认为各种力:电、磁、光、引力等等,都应该可以在场的相互作用、相互转化中统一起来。 法拉第的年代,早已有了导电的金属与绝缘体的划分,却还不知道‘半导体’为何物,法拉第是在研究金属导电性的时候,偶然观察到硫化银导电的一个异常现象。 在 1833年《电学实验研究》On ConductingPower Generally的有一章中,法拉第写道:“我最近遇到一个非同寻常的现象,这种现象与温度对金属组织的影响是截然相反的。对硫化银来说,电导率随温度上升而上升,关灯后,电导率随温度下降而下降。” 上文法拉第的记录中用的是‘电导率’,换成电阻来叙述的话,就是说:硫化银的电阻随着温度的上升而降低。而人们知道,大多数金属的电阻是随着温度的升高而升高的,因为温度升高,会使得金属晶格的振动加剧而阻碍自由电子的移动,从而导致电阻的增大。但硫化银的表现却相反。如此看来,硫化银应该代表了某些另一类物质:它们具有一定的导电性(热敏性),但又不同于金属,这就是我们现在所熟知的半导体。 在法拉第对电磁理论作出的诸多贡献中,这个被他首次发现的物质特性,只是一个很不起眼的小东西。法拉第对此现象感到奇怪,却并未特别在意。半导体睡美人的面纱,被法拉第轻轻地抖动了一下,微不足道的火星尚未闪烁就熄灭了。 参考资料: Hirshfeld, Alan W. (2006).The Electric Life of Michael Faraday. Walker and Company. ISBN 978-0-8027-1470-1. http://www.amazon.com/The-Electric-Life-Michael-Faraday/dp/0802714706 系列科普目录 下一篇:电光闪烁的物理世家
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[转载]863项目-高效半导体照明关键材料技术研发
ledlau 2013-4-18 23:28
863-高效半导体照明关键材料技术研发-小木虫.pdf
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回忆录(18),唐山十年:制做半导体收音机
热度 3 kd652 2013-3-30 12:23
高一时熟悉环境,外语由初中的俄语改成了英语,一改初中时不重视外语的观念,开始把英语当成一门重点的课程来听,讲课的是从外贸公司转行来的胡老师,讲课很认真,给学生的英语打下了很好的基础. 高二时,一切纳入正轨之后,我开始参考有关书籍制做半导体收音机: 先做的是最简单的单管收音机: 再做再生式单管收音机: 最后做两管式半导体收音机,声音大多了,可以带动扬声器. 真得感谢当时教我们物理的邢老师,他帮我抄来电路,并做重点的指导.
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[转载]什么叫半导体?
chnfirst 2013-2-20 22:41
http://wenda.tianya.cn/question/4bdbbe3709f641f6 什么叫半导体? 导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,叫做半导体. 例如:锗、硅、砷化镓等. 半导体在科学技术,工农业生产和生活中有着广泛的应用.(例如: 电视、半导体收音机、电子计算机等)这是什么原因呢?下面介绍它 所具有的特殊的电学性能. (2)半导体的一些电学特性 ①压敏性:有的半导体在受到压力后电阻发生较大的变化. 用途:制成压敏元件,接入电路,测出电流变化,以确定压力的变化. ②热敏性:有的半导体在受热后电阻随温度升高而迅速减小. 用途:制成热敏电阻,用来测量很小范围内的温度变化. 添加评论 评论读取中... 请登录后再发表评论! 取消 不惊不休 | 2008-11-16 09:36:32 有 0 人 认为这个回答不错 | 有 0 人认为这个回答没有帮助 半导体材料(semiconductor material)   导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料,其电导率在10(U-3)~10(U-9)欧姆/厘米范围内。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感,在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质,才制造出功能多样的半导体器件。 半导体材料是半导体工业的基础,它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。半导体材料按化学成分和内部结构,大致可分为以下几类。1.元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。50年代,锗在半导体中占主导地位,但 锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差,到60年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造的半导体器件,耐高温和抗辐射性能较好,特别适宜制作大功率器件。因此,硅已成为应用最多的一种增导体材料,目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。2.化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多,重要的有砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好,在航天技术领域有着广泛的应用。3.无定形半导体材料 用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料,分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。这类材料具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力,主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。4.有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十种,包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等,目前尚未得到应用 。    特性和参数 半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感。纯度很高的半导体材料称为本征半导体,常温下其电阻率很高,是电的不良导体。在高纯半导体材料中掺入适当杂质后,由于杂质原子提供导电载流子,使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。杂质半导体靠导带电子导电的称N型半导体,靠价带空穴导电的称P型半导体。不同类型半导体间接触(构成PN结)或半导体与金属接触时,因电子(或空穴)浓度差而产生扩散,在接触处形成位垒,因而这类接触具有单向导电性。利用PN结的单向导电性,可以制成具有不同功能的半导体器件,如二极管、三极管、晶闸管等。此外,半导体材料的导电性对外界条件(如热、光、电、磁等因素)的变化非常敏感,据此可以制造各种敏感元件,用于信息转换。   半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定,反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用(如光或电场)下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度,对于非晶态半导体材料,则没有这一参数。半导体材料的特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别 ,更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下,其特性的量值差别。    种类 常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等,以硅、锗应用最广。化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。二元系化合物半导体有Ⅲ-Ⅴ族(如砷化镓、磷化镓、磷化铟等)、Ⅱ-Ⅵ族(如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等)、 Ⅳ-Ⅵ族(如硫化铅、硒化铅等) 、Ⅳ-Ⅳ族(如碳化硅)化合物。三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体,如镓铝砷固溶体、镓锗砷磷固溶体等。有机化合物半导体有萘、蒽、聚丙烯腈等,还处于研究阶段。此外,还有非晶态和液态半导体材料,这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。    制备 不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求,包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。   所有的半导体材料都需要对原料进行提纯,要求的纯度在6个“9”以上 ,最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类,一类是不改变材料的化学组成进行提纯,称为物理提纯;另一类是把元素先变成化合物进行提纯,再将提纯后的化合物还原成元素,称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等,使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等,使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性,因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。   绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广,80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的,其中硅单晶的最大直径已达300 毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法,用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法,用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触,用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶,而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。   在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。工业生产使用的主要是化学气相外延,其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。 http://zhidao.baidu.com/question/2690163.html (semiconductormaterial)导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料,其电导率在10(U-3)~10(U-9)欧姆/厘米范围内。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感,在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质,才制造出功能多样的半导体器件。半导体材料是半导体工业的基础,它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。半导体材料按化学成分和内部结构,大致可分为以下几类。1.元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。50年代,锗在半导体中占主导地位,但锗半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差,到60年代后期逐渐被硅材料取代。用硅制造的半导体器件,耐高温和抗辐射性能较好,特别适宜制作大功率器件。因此,硅已成为应用最多的一种增导体材料,目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。2.化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类很多,重要的有砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。其中砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温和化学稳定性好,在航天技术领域有着广泛的应用。3.无定形半导体材料用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料,分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。这类材料具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力,主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。4.有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十种,包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等,目前尚未得到应用。 === 以非晶态半导体材料为主体制成的固态电子器件。非晶态半导体虽然在整体上分子排列无序,但是仍具有单晶体的微观结构,因此具有许多特殊的性质。1975年,英国W.G.斯皮尔在辉光放电分解硅烷法制备的非晶硅薄膜中掺杂成功,使非晶硅薄膜的电阻率变化10个数量级,促进非晶态半导体器件的开发和应用。同单晶材料相比,非晶态半导体材料制备工艺简单,对衬底结构无特殊要求,易于大面积生长,掺杂后电阻率变化大,可以制成多种器件。非晶硅太阳能电池吸收系数大,转换效率高,面积大,已应用到计算器、电子表等商品中。非晶硅薄膜场效应管阵列可用作大面积液晶平面显示屏的寻址开关。利用某些硫系非晶态半导体材料的结构转变来记录和存储光电信息的器件已应用于计算机或控制系统中。利用非晶态薄膜的电荷存储和光电导特性可制成用于静态图像光电转换的静电复印机感光体和用于动态图像光电转换的电视摄像管的靶面。 具有半导体性质的非晶态材料。非晶态半导体是半导体的一个重要部分。50年代B.T.科洛米耶茨等人开始了对硫系玻璃的研究,当时很少有人注意,直到1968年S.R.奥弗申斯基关於用硫系薄膜制作开关器件的专利发表以后,才引起人们对非晶态半导体的兴趣。1975年W.E.斯皮尔等人在硅烷辉光放电分解制备的非晶硅中实现了掺杂效应,使控制电导和制造PN结成为可能,从而为非晶硅材料的应用开辟了广阔的前景。在理论方面,P.W.安德森和莫脱,N.F.建立了非晶态半导体的电子理论,并因而荣获1977年的诺贝尔物理学奖。目前无论在理论方面,还是在应用方面,非晶态半导体的研究正在很快地发展著。 分类 目前主要的非晶态半导体有两大类。 硫系玻璃。含硫族元素的非晶态半导体。例如As-Se、As-S,通常的制备方法是熔体冷却或汽相沉积。 四面体键非晶态半导体。如非晶Si、Ge、GaAs等,此类材料的非晶态不能用熔体冷却的办法来获得,只能用薄膜淀积的办法(如蒸发、溅射、辉光放电或化学汽相淀积等),只要衬底温度足够低,淀积的薄膜就是非晶态结构。四面体键非晶态半导体材料的性质,与制备的工艺方法和工艺条件密切相关。图1 不同方法制备非晶硅的光吸收系数 给出了不同制备工艺的非晶硅光吸收系数谱,其中a、b制备工艺是硅烷辉光放电分解,衬底温度分别为500K和300K,c制备工艺是溅射,d制备工艺为蒸发。非晶硅的导电性质和光电导性质也与制备工艺密切相关。其实,硅烷辉光放电法制备的非晶硅中,含有大量H,有时又称为非晶的硅氢合金;不同工艺条件,氢含量不同,直接影响到材料的性质。与此相反,硫系玻璃的性质与制备方法关系不大。图2 汽相淀积溅射薄膜和熔体急冷成块体AsSeTe的光吸收系数谱 给出了一个典型的实例,用熔体冷却和溅射的办法制备的AsSeTe样品,它们的光吸收系数谱具有相同的曲线。 非晶态半导体的电子结构 非晶态与晶态半导体具有类似的基本能带结构,也有导带、价带和禁带(见固体的能带)。材料的基本能带结构主要取决於原子附近的状况,可以用化学键模型作定性的解释。以四面体键的非晶Ge、Si为例,Ge、Si中四个价电子经sp杂化,近邻原子的价电子之间形成共价键,其成键态对应於价带;反键态对应於导带。无论是Ge、Si的晶态还是非晶态,基本结合方式是相同的,只是在非晶态中键角和键长有一定程度的畸变,因而它们的基本能带结构是相类似的。然而,非晶态半导体中的电子态与晶态比较也有著本质的区别。晶态半导体的结构是周期有序的,或者说具有平移对称性,电子波函数是布洛赫函数,波矢是与平移对称性相联系的量子数,非晶态半导体不存在有周期性, 不再是好的量子数。晶态半导体中电子的运动是比较自由的,电子运动的平均自由程远大於原子间距;非晶态半导体中结构缺陷的畸变使得电子的平均自由程大大减小,当平均自由程接近原子间距的数量级时,在晶态半导体中建立起来的电子漂移运动的概念就变得没有意义了。非晶态半导体能带边态密度的变化不像晶态那样陡,而是拖有不同程度的带尾(如图3 非晶态半导体的态密度与能量的关系 所示)。非晶态半导体能带中的电子态分为两类:一类称为扩展态,另一类为局域态。处在扩展态的每个电子,为整个固体所共有,可以在固体整个尺度内找到;它在外场中运动类似於晶体中的电子;处在局域态的每个电子基本局限在某一区域,它的状态波函数只能在围绕某一点的一个不大尺度内显著不为零,它们需要靠声子的协助,进行跳跃式导电。在一个能带中,带中心部分为扩展态,带尾部分为局域态,它们之间有一分界处,如图4 非晶态半导体的扩展态、局域态和迁移率边 中的和,这个分界处称为迁移率边。1960年莫脱首先提出了迁移率边的概念。如果把迁移率看成是电子态能量的函数,莫脱认为在分界处和存在有迁移率的突变。局域态中的电子是跳跃式导电的,依靠与点阵振动交换能量,从一个局域态跳到另一个局域态,因而当温度趋向0K时,局域态电子迁移率趋於零。扩展态中电子导电类似於晶体中的电子,当趋於0K时,迁移率趋向有限值。莫脱进一步认为迁移率边对应於电子平均自由程接近於原子间距的情况,并定义这种情况下的电导率为最小金属化电导率。然而,目前围绕著迁移率边和最小金属化电导率仍有争论。 缺陷 非晶态半导体与晶态相比较,其中存在大量的缺陷。这些缺陷在禁带之中引入一系列局域能级,它们对非晶态半导体的电学和光学性质有著重要的影响。四面体键非晶态半导体和硫系玻璃,这两类非晶态半导体的缺陷有著显著的差别。 非晶硅中的缺陷主要是空位、微空洞。硅原子外层有四个价电子,正常情况应与近邻的四个硅原子形成四个共价键。存在有空位和微空洞使得有些硅原子周围四个近邻原子不足,而产生一些悬挂键,在中性悬挂键上有一个未成键的电子。悬挂键还有两种可能的带电状态:释放未成键的电子成为正电中心,这是施主态;接受第二个电子成为负电中心,这是受主态。它们对应的能级在禁带之中,分别称为施主和受主能级。因为受主态表示悬挂键上有两个电子占据的情况,两个电子间的库仑排斥作用,使得受主能级位置高於施主能级,称为正相关能。因此在一般情况下,悬挂键保持只有一个电子占据的中性状态,在实验中观察到悬挂键上未配对电子的自旋共振。1975年斯皮尔等人利用硅烷辉光放电的方法,首先实现非晶硅的掺杂效应,就是因为用这种办法制备的非晶硅中含有大量的氢,氢与悬挂键结合大大减少了缺陷态的数目。这些缺陷同时是有效的复合中心。为了提高非平衡载流子的寿命,也必须降低缺陷态密度。因此,控制非晶硅中的缺陷,成为目前材料制备中的关键问题之一。 硫系玻璃中缺陷的形式不是简单的悬挂键,而是“换价对”。最初,人们发现硫系玻璃与非晶硅不同,观察不到缺陷态上电子的自旋共振,针对这表面上的反常现象,莫脱等人根据安德森的负相关能的设想,提出了MDS模型。当缺陷态上占据两个电子时,会引起点阵的畸变,若由於畸变降低的能量超过电子间库仑排斥作用能,则表现出有负的相关能,这就意味著受主能级位於施主能级之下。用 D、D、D 分别代表缺陷上不占有、占有一个、占有两个电子的状态,负相关能意味著: 2D —→ D+D 是放热的。因而缺陷主要以D、D形式存在,不存在未配对电子,所以没有电子的自旋共振。不少人对D、D、D缺陷的结构作了分析。以非晶态硒为例,硒有六个价电子,可以形成两个共价键,通常呈链状结构,另外有两个未成键的 p电子称为孤对电子。在链的端点处相当於有一个中性悬挂键,这个悬挂键很可能发生畸变,与邻近的孤对电子成键并放出一个电子(形成D),放出的电子与另一悬挂键结合成一对孤对电子(形成D),如图 5 硫系玻璃的换价对 所示。因此又称这种D、D为换价对。由於库仑吸引作用,使得D、D通常是成对地紧密靠在一起,形成紧密换价对。硫系玻璃中成键方式只要有很小变化就可以形成一组紧密换价对,如图6 换价对的自增强效应 所示,它只需很小的能量,有自增强效应,因而这种缺陷的浓度通常是很高的。利用换价对模型可以解释硫属非晶态半导体的光致发光光谱、光致电子自旋共振等一系列实验现象。 应用 非晶态半导体在技术领域中的应用存在著很大的潜力,非晶硫早已广泛应用在复印技术中,由S.R.奥夫辛斯基首创的 As-Te-Ge-Si系玻璃半导体制作的电可改写主读存储器已有商品生产,利用光脉冲使碲微晶薄膜玻璃化这种性质制作的光存储器正在研制之中。对於非晶硅的应用目前研究最多的是太阳能电池。非晶硅比晶体硅制备工艺简单,易於做成大面积,非晶硅对於太阳光的吸收效率高,器件只需大约1微米厚的薄膜材料,因此,可望做成一种廉价的太阳能电池,现已受到能源专家的重视。最近已有人试验把非晶硅场效应晶体管用於液晶显示和集成电路。
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[转载]中国教授又破半导体量子芯片世界纪录
热度 1 wanglaow 2013-2-6 06:51
http://scitech.people.com.cn/n/2013/0205/c1057-20432424.html  中新社合肥2月4日电 (记者 吴兰)记者4日从中国科技大学获悉,中科院量子信息重点实验室郭国平教授半导体量子芯片研究组及其合作者又破世界纪录,通过实验成功实现世界上最快速 量子逻辑门 操作,取得半导体量子芯片研究的重要突破。   众所周知,世界上第一台计算机埃尼亚克占地170平方米,功率达174千瓦,可是其运算速度还不如普通计算器。随着半导体产业的飞速发展,电子产品的尺寸越来越小,晶体管集成度越来越高,单个晶体管的尺度也越来越小,由 尺寸效应 等导致的量子效应也越来越明显。   据介绍,由摩尔定律推算,大概到2020年,每个晶体管将小到只有一个电子。此时单个电子的运动将满足微观世界中量子力学的物理规律。信息的这种量子化趋势将极大地影响未来信息处理中的编码方式、运算规律和读取方式等各个环节,甚至彻底改变目前半导体信息产业的格局。   郭国平教授介绍,研究组从可大规模集成化的半导体单电子晶体管的设计制备出发,在砷化镓铝异质结中制备出一种集成了双路量子探测通道的栅型双 量子点 复合结构,并且通过调节加载在栅电极上电秒冲的高度和宽度,成功实现了世界上最快速的皮秒量级单比特超快普适电控量子逻辑门,比国际上公开报道的电控半导体逻辑门的运算速度提高近两个数量级,相关研究成果发表在最新一期权威学术期刊《自然通讯》上。   更快和更大规模的集成始终是芯片技术的核心梦想。郭国平教授说,更快的量子逻辑门操作,才有可能将 量子计算 从小规模的实验室演示推向真正的实用化。 (中国科技网) (来源: 中新社 ) 。。。。。。。。。。。。。。。。。。 现今的科技类新闻,经常出错误,误导不明真相的群众,例如俺这种,^_^。。。。 虽然这个芯片被冠以“量子芯片”,但是仔细看来,实现的是“量子点”结构,而不是大家以为的在原理上跟经典计算有本质差别的“量子计算”。 我的疑问是,虽然 “郭国平教授说,更快的量子逻辑门操作,才有可能将 量子计算 从小规模的实验室演示推向真正的实用化。” 但是,迄今为止的各种量子计算 ,例如最著名的分解因数的 肖算法,必须依赖于更快的“量子芯片”吗? 记得更多的是依靠量子纠缠来进行计算的呀。
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读书笔记
litho30as27a 2013-1-28 13:27
1.2013-01-28 《有机半导体异质结:晶态有机半导体材料与器件》 / 闫东航,王海波,杜宝勋等 --- 科学出版社, 2012
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关于玻璃包覆铜导体,应用到半导体中思考
热度 2 BruceLau 2013-1-22 09:05
近日,一直在关注玻璃包覆铜导体微细线(glass-coated copper microwire),应用到半导体中做键合丝的问题。有做相关高手请指教。 疑惑如下: 1、机械性能与金线相比如何?譬如拉断力、伸长率? 2、如何控制20um的微细线,玻璃包覆控制在1-4um? 现在可知的是,以色列RED Microwire公司在做,产品也只是研制阶段。
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招收重点博士后1名!诚聘副教授或讲师一名(半导体器件模拟)
热度 1 datouguoguo 2013-1-20 19:52
课题组招收博士后1名. 最好有薄膜晶体管或者石墨烯器件研制和测量的基础,或者半导体薄膜晶体管。根据工作基础,可以申请重点博士后(税前12万,工作优秀可以面议),优秀者可以留校。 一起合作开展器件研究工作,帮助申请国家自然基金和博士后基金。 另外,诚聘副教授或者讲师一名加入团队,半导体器件模拟以及器件输运计算,待遇依据学校政策,团队给予一定资助。 联系方式: liaolei@whu.edu.cn
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[转载]半导体所PECVD等离子体增强化学气相淀积设备
chnfirst 2013-1-15 13:03
http://oa.semi.ac.cn/upload_files/cn/jcjsyjzx/contents/503/8025.html   首 页 技术特色 集成技术中心特色工艺 PECVD等离子体增强化学气相淀积设备 集成技术中心特色工艺介绍 设备联系人:李艳 电话: 010-82305045 Email : liyan@semi.ac.cn 常春 电话: 010-82304478 Email : changchun@semi.ac.cn 设备一 工艺名称 PECVD 等离子体增强化学气相淀积设备 工艺目的 采用 PECVD 淀积氧化硅、氮化硅和氮氧化硅薄膜。在低温下( 30 0℃ )即可淀积高质量的薄膜,淀积速率高,应用范围广泛。 工艺过程 传入样品 —— 淀积 —— 传出样品 工艺结果 ( 图片说明 ) 8 寸片均匀性小于 ±2% BPSG 波导上包层 折射率 连续可调 的 SiON 薄膜的淀积 工艺特色 ( 创新点 ) 1. 30 0 ℃ 低温即可淀积高质量薄膜, 均匀性和重复性好 。 2 . 氧化硅膜 厚度任意可控:从几十纳米到几十微米都可淀 积,膜厚控制精确。 3. 可 以 淀积掺 Ge 的 SiO2 , BPSG 等 ; 折射率可以精确控制 ± 0.000 3 以内。 4. 可以淀积极低应力 的氮化 硅 膜 。 5. 可以 实现氮氧化硅( SiON )薄膜 的折射率 从氧化硅的折射率平滑改变到氮化硅的折射率( 1.5~1.9 )。 设备二 工艺名称 AOE 氧化硅 ICP 刻蚀设备 工艺目的 ICP 刻蚀氧化硅、氮化硅和氮氧化硅 膜。 和湿法刻蚀及传统的等离子刻蚀相比,具有很多优点:刻蚀速率高,各相异性高,选择比高,大面积均匀性好,可进行高质量的 精细线条刻蚀,并获得较好的刻蚀面形貌。 工艺过程 传入样品 —— 淀积 —— 传出样品 工艺结果 ( 图片说明 ) 波导刻蚀 (台阶 5um ) 特定倾斜 角度刻蚀 光子晶体刻蚀 工艺特色 ( 创新点 ) 1. 刻蚀速率高 ( 2500A /min ) ,选择比高(光刻胶: 4:1 ) 。可实现超过 20um 的氧化硅刻蚀。 2. 陡直度好:即使 掩膜陡直度较差,也能刻出较好的陡直度。 3. 特定倾斜角度刻蚀:有利于台阶处金属电极的制备。 4 . 低损伤、高选择比的 纳米尺度刻蚀。
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methology idea: OCD tool for semi inductry promotion
xwang0822 2012-11-24 00:14
2012-05-28写的东西,现贴出来: 这几天有一点有关公司业务和市场的想法。 (一) To be a developer of Opitcal Critical Dimension tool 简单说,即是否可将我们的 OCD 工具和涉及相关工艺制程的工具(如开发光刻设备和刻蚀设备的厂商)联合起来(或将他们定位为我们的客户),联合开发工具,省却 fab 在制程开发和 ramp-up 过程中对制备和检测工具的磨合,从而提升效率。 随着工艺制程的特征尺寸不断微缩至 45nm 及以下,尤其是 intel 提出的应用在 22nm 及以下处理器的 Finfet 结构及其他公司提出的基于 pillar 的 Trigate 结构和 Memoryst 概念,工艺的复杂性也极大提升 OCD 测量的复杂性。当轨道线上的 pad 模块 step-by-step 测量( ADI 、 AEI 等)已较难匹配实际测量环境时,以生产过程中的芯片为实时测量对象应该是发展的趋势吧(对此我不能确定)。总而言之, OCD 工具开发将应对更大挑战性,因此,服务于 match 的 sensitivity 研究也显得愈加重要。同时,在商业模式上可能也存在新机遇。 如同 cadence 等 EDA 工具软件中集成了系统行为级、逻辑级、电路 / 晶体管级、布局布线等的设计和仿真,在应对日益复杂的电路设计中,将不同级别设计的界面和接口进行综合考虑和整合,使工具本身作为黑盒子,虽增加了 cadence 软件开发的复杂性,却可为 design house 人员的工作提升设计效率和提供方便。也比如 mentor graphic 公司这些电路 / 器件参数 extraction 工具,以及 TCAD 模拟和 DFM 、 DFT 等工具,在产业分工细化的趋势下,这些工具无论为设计为制造为测试,核心思想皆可看成是为不同分工的界面和接口提供方便,终能提升出货效率。 那么,基于上述思想,我们是否可将 litho 、 etch 、 CMP 、 DPC 制版等与 OCD 测量相关的制造工具开发商,视作客户出售我们实现良好匹配的工艺检测模型,或与之联合起来在算法上做顶级的联合开发,形成黑盒子,使得制造机台参数和目标 OCD 结果直接固定,省却 foundry 在相应工艺节点的制程开发中,对制造设备和检测工具的磨合,也有利于各个 fab 有关严格制程控制方法学的实现,有助于提升工艺精度和加速先进制程开发速度。如能这样,则可以开创公司新的制造模式,尤其咱们公司处于 02 专项的平台上,或许可借此平台和上海微电子装备 / 北方微电子 / 盛美等国内参与 02 专项的设备企业合作。 甚至,我们在 sensitivity 的研发中,除了在 CD 参数和匹配 GOF 上的关联外,以后会不会可以直接与电路设计工具以及 fab 合作,寻找 CD 参数和器件电学参数的关联,极大提升器件设计和工艺整合的效率。 (二) semi industrial layout 移动终端产品的市场份额快速扩张已成不争事实。近日,为抓住新一轮由移动互联设备引发的半导体产业革命,各大半导体厂商纷纷扩大投入,在设备和研发支出上积极布局。 Intel 已开始研发 14-7nm 制程并考虑布局 450nm18inch 晶圆同时扩充大连 fab68 产能, Globelfoundry 在纽约和德累斯顿建厂及扩充产能, Sumsung 选址西安扩建 22nm 生产线 fab 生产 flash 产品,台积电 TSMC 也扩大资本支出在设备及 22-14nm 工艺研发上,联电 UMC 在新竹工业园实现第五第六期 fab 厂房的破土仪式积极扩张 28nm 产能,包括中芯国际 SMIC 亦与北京政府敲定在经济开发区开展第二期合作事宜,扩建 2 座 12 寸 fab ,以期扩大 45-28nm 产能同时追赶 22nm 技术,不知国有的华虹阵营将有何动作,恐怕不会大肆扩张逻辑制程,继续保持其所谓“差异化”竞争模式。虽然, Erpida 破产并购事宜还没落下帷幕,同时瑞萨电子和 Intersil 等 fabless 厂商也传出大规模裁员的消息,但在 moore 定律走到头之前,技术节点的推进和产业市场的发展速度总体不降反增。半导体制造业的新一轮布局初见端倪,美国政府有心促进优质制造业的回流,日系被韩系压制, SONY Sharp Panasonic 三洋电机等往日大鳄都陷入亏损泥潭,似乎仅 toshiba 维持赢利,余下则倾向于在亚洲尤其我国大陆和台湾地区,以及新加坡和马来西亚。看来真如 isuppli 等机构预言的那样,在未来的一两年内赢来一轮产业的小高潮看来问题不大了,设备和工具厂商当瞄准行情和机遇,顺势而为,没准儿我们公司也借着 02 专项的东风和这波行情 IPO 了,我也跟着鸡犬升天了,呵呵,想多了。。。。。
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一个小物理问题求教
热度 1 wliming 2012-11-9 11:48
一片金属和一片本征半导体中间夹一层很薄的绝缘层(三明治结构)。在金属和半导体上加上电压(假设金属为负电压-V,半导体接地)。金属中的电子的能量假设具有自由电子色散关系,即 $ p^2/2m $.由于电压的作用金属中的电子会通过隧道效应向半导体透射形成电流。现在问,入射电子的动量(或者波矢)跟电压的关系如何。 我设置了阅读权限为注册用户。好像能看到我这博文的人不多啊。
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