為什麼研究半導體材料

1. 我是一名研究生，我的專業是半導體材料

單片機方向：抄 點陣 液晶顯示屏 發光字 流水燈 步進電動機控制 機器人方向 數字溫度計 數字萬用表 太多了 可以從51開始學 推薦郭天祥
電子學從大的方面可以分為 弱電 和弱電控制強電
建議學弱電控制強電 因為你是學半導體材料 告訴你一點 電磁學的發展很大程度依賴材料學的發展 如特斯拉時代沒有晶體管 和集成電路 只能通過諧振產生高頻高壓電流 所以特斯拉先生發明了火花間隙特斯拉線圈 而現在有晶體管和集成電路 可以通過555集成塊 形成高頻振盪器控制晶體管快速開關 產生高頻電流 這就是固態特斯拉線圈

2. 從微觀角度來說硅為什麼可以作半導體材料

因為晶體硅具有一個非常重要的特性——單方向導電，也就是說，電流只能從一端流向另一端，製作半導體器件的原材料就需要具有有這種特有的特性材料。

多角度解釋：
（1）熱敏性 半導體材料的電阻率與溫度有密切的關系.溫度升高,半導體的電阻率會明顯變小.例如純鍺（Ge）,溫度每升高10度,其電阻率就會減少到原來的一半.
（2）光電特性 很多半導體材料對光十分敏感,無光照時,不易導電；受到光照時,就變的容易導電了.例如,常用的硫化鎘半導體光敏電阻,在無光照時電阻高達幾十兆歐,受到光照時電阻會減小到幾十千歐.半導體受光照後電阻明顯變小的現象稱為「光導電」.利用光導電特性製作的光電器件還有光電二極體和光電三極體等.
近年來廣泛使用著一種半導體發光器件--發光二極體,它通過電流時能夠發光,把電能直接轉成光能.目前已製作出發黃,綠,紅,藍幾色的發光二極體,以及發出不可見光紅外線的發光二極體.
另一種常見的光電轉換器件是硅光電池,它可以把光能直接轉換成電能,是一種方便的而清潔的能源.
（3）攙雜特性 純凈的半導體材料電阻率很高,但摻入極微量的「雜質」元素後,其導電能力會發生極為顯著的變化.例如,純硅的電阻率為214×1000歐姆/厘米,若摻入百萬分之一的硼元素,電阻率就會減小到0.4歐姆/厘米.因此,人們可以給半導體摻入微量的某種特定的雜質元素,精確控制它的導電能力,用以製作各種各樣的半導體器件
半導體的導電性能比導體差而比絕緣體強.實際上,半導體與導體、絕緣體的區別在不僅在於導電能力的不同,更重要的是半導體具有獨特的性能（特性）.
1． 在純凈的半導體中適當地摻入一定種類的極微量的雜質,半導體的導電性能就會成百萬倍的增加—-這是半導體最顯著、最突出的特性.例如,晶體管就是利用這種特性製成的.
2． 當環境溫度升高一些時,半導體的導電能力就顯著地增加；當環境溫度下降一些時,半導體的導電能力就顯著地下降.這種特性稱為「熱敏」,熱敏電阻就是利用半導體的這種特性製成的.
3． 當有光線照射在某些半導體時,這些半導體就像導體一樣,導電能力很強；當沒有光線照射時,這些半導體就像絕緣體一樣不導電,這種特性稱為「光敏」.例如,用作自動化控制用的「光電二極體」、「光電三極體」和光敏電阻等,就是利用半導體的光敏特性製成的.
由此可見,溫度和光照對晶體管的影響很大.因此,晶體管不能放在高溫和強烈的光照環境中.在晶體管表面塗上一層黑漆也是為了防止光照對它的影響.最後,明確一個基本概驗：所謂半導體材料,是一種晶體結構的材料,故「半導體」又叫「晶體」.
P性半導體和N型半導體----前面講過,在純凈的半導體中加入一定類型的微量雜質,能使半導體的導電能力成百萬倍的增加.加入了雜質的半導體可以分為兩種類型：一種雜質加到半導體中去後,在半導體中會產生大量的帶負電荷的自由電子,這種半導體叫做「N型半導體」（也叫「電子型半導體」）；另一種雜質加到半導體中後,會產生大量帶正電荷的「空穴」,這種半導體叫「P型半導體」（也叫「空穴型半導體」）.例如,在純凈的半導體鍺中,加入微量的雜質銻,就能形成N型半導體.同樣,如果在純凈的鍺中,加入微量的雜質銦,就形成P型半導體.
一個PN結構成晶體二極體----設法把P型半導體（有大量的帶正電荷的空穴）和N型半導體（有大量的帶負電荷的自由電子）結合在一起,見圖1所示.
圖1
在P型半導體的N型半導體相結合的地方,就會形成一個特殊的薄層,這個特殊的薄層就叫「PN結」.晶體二極體實際上就是由一個PN結構成的（見圖1）.
例如,收音機中應用的晶體二極體,其觸絲（即觸針）部分相當於P型半導體,N型鍺片就是N型半導體,他們之間的接觸面就是PN結.P端（或P端引出線）叫晶體二極體的正端（也稱正極）.N端（或N端引出線）叫晶體二極體的負端（也稱負極）.
如果像圖2那樣,把正端連接電池的正極,把負端接電池的負極,這是PN結的電阻值就小到只有幾百歐姆了.因此,通過PN結的電流（I=U/R）就很大.這樣的連接方法（圖2a）叫「正向連接」.正向連接時,晶體管二極體（或PN結）兩端承受的電壓叫「正向電壓」；處在正向電壓下,二極體（或PN結）的電阻叫「正向電阻」,在正向電壓下,通過二極體（或PN結）的電流叫「正向電流」.很明顯,因為晶體二極體的正向電阻很小（幾百歐姆）,在一定正向電壓下,正向電流（I=U/R）就會很大----這表明在正向電壓下,二極體（或PN結）具有像導體一樣的導電本領.
圖2a 圖2b
反過來,如果把P端接到電池的負極,N端接到電池的正極（見圖2b）.這時PN結的電阻很大（大到幾百千毆）,電流（I=U/R）幾乎不能通過二極體,或者說通過的電流很微弱.這樣的連接方法叫「反向連接」.反向連接時,晶體管二極體（或PN結）兩端承受的電壓叫「反向電壓」；處在反向電壓下,二極體（或PN結）的電阻叫「反向電阻」,在反向電壓下,通過二極體（或PN結）的電流叫「反向電流」.顯然,因為晶體二極體的正向電阻很大（幾百千歐姆）,在一定的反向電壓下,正向電流（I=U/R）就會很小,甚至可以忽略不計,----這表明在一定的反向電壓下,二極體（或PN結）幾乎不導電.
上敘實驗說明這樣一個結論：晶體二極體（或PN結）具有單向導電特性.
晶體二極體用字母「D」代表,在電路中常用圖3的符號表示,即表示電流（正電荷）只能順著箭頭方向流動,而不能逆著箭頭方向流動.圖3是常用的晶體二極體的外形及符號.
圖3
利用二極體的單向導電性可以用來整流（將交流電變成直流電）和檢波（從高頻或中頻電信號取出音頻信號）以及變頻（如把高頻變成固定的中頻465千周）等.
PN結的極間電容----PN結的P型和N型兩快半導體之間構成一個電容量很小的電容,叫做「極間電容」（如圖4所示）.由於電容抗隨頻率的增高而減小.所以,PN結工作於高頻時,高頻信號容易被極間電容或反饋而影響PN結的工作.但在直流或低頻下工作時,極間電容對直流和低頻的阻抗很大,故一般不會影響PN結的工作性能.PN結的面積越大,極間電容量越大,影響也約大,這就是面接觸型二極體（如整流二極體）和低頻三極體不能用於高頻工作的原因

3. 為什麼晶元要用硅作為半導體材料，而不用其他的

理論上所有半導體都可以作為晶元材料，但是硅的性質穩定、容易提純、儲存量巨大等等性質，是所有半導體材料中，最適合做晶元的。

在晶體管（二極體、三極體等等）未發明之前，初期電子計算機使用的是電子管，但是電子管體積巨大、功耗高、壽命短；人類第一台電子計算機使用18000個電子管，重30噸，佔地150平方米，耗電功率高達150千瓦，但是其運算能力遠遠趕不上如今的一台掌上計算機。

其中硅因為擁有眾多優良特性，使得硅成為晶元的主要材料：

（1）硅元素的含量巨大，地球元素中僅次於氧元素（地球元素含量排行：氧>硅>鋁>鐵>鈣>鈉>鉀……）。

（2）硅元素提純技術成熟，製作成本低，最初晶體管使用鍺作為晶元材料，是因為當初硅元素的提純技術不成熟，如今硅的提純可以達到99.999999999%。

（3）硅元素的性質穩定，包括化學性質和物質性質，比如鍺做成晶體管，當溫度達到75℃以上時，其導電率有較大變化，而且做成PN結後鍺的反向漏電流比硅大，這對晶元的穩定性非常不利。

（4）硅本身是無毒無害的物質，我們常見的很多石頭都含有二氧化硅（SiO2）。

4. 為什麼採用半導體材料製作電子器件

我覺得半導體最強的是它的控製作用，可以讓電子電路功能豐富許多

5. 新型的半導體材料有何作用

美國佛羅里達大學研究人員宣布，他們在新半導體的設計方面取得突破，從而率先為一種新型電子開關開發出重要的基礎材料，這種基礎材料很可能提供平穩的不間斷的電力供應。這項研究成果可能成為21世紀汽車工業和尖端軍事硬體使用的重要材料，行業雜志《化合物半導體》對這項研究成果作了介紹。

佛羅里達大學四位材料學教授和兩位化學工程教授用氮化鎵材料設計了一種稱之為「金屬氧化物半導體場效應晶體管」的基本電子結構。

佛羅里達大學的科學家和聖巴巴拉加州大學的科學家們還最先設計並展示了一種與之相關的「雙極晶體管」。

參加研究的佛羅里達大學材料學教授斯蒂芬·皮爾頓說，這兩項研究成果是朝著製造氮化鎵半導體開關邁出的重要步驟。這種開關將確保供電系統今後能實現高質量的電力輸送。

他說，美國供電系統目前使用大型機械中繼開關和硅開關輸送電力，但是這兩種開關都存在嚴重的缺陷。用氮化鎵開關替代上述兩種開關輸送電力可以收到良好的效果。

皮爾頓說：「如果能用電子開關替換全部機械中繼開關和硅開關，輸送電力的速度更快，問題也大大減少。」

6. 電子技術為什麼要用半導體為核心材料

現代晶體管需要用
半導體材料
，在控制電路中，晶體管是基本單位。

7. 為什麼晶元都用半導體材料做成

在二氧化硅上蝕刻出電路後
會用經過電場加速的離子進行摻雜
摻雜後的區域導電性會有變化
之後鍍銅以便形成電路
之所以用硅的原因
就是雜離子摻雜後其導電性質的改變
使摻雜的部分可以變為元件

8. 為何選硅做半導體材料多角度分析。

（1）熱敏性 半導體材料的電阻率與溫度有密切的關系。溫度升高，半導體的電阻率會明顯變小。例如純鍺（Ge），溫度每升高10度，其電阻率就會減少到原來的一半。

（2）光電特性 很多半導體材料對光十分敏感，無光照時，不易導電；受到光照時，就變的容易導電了。例如，常用的硫化鎘半導體光敏電阻，在無光照時電阻高達幾十兆歐，受到光照時電阻會減小到幾十千歐。半導體受光照後電阻明顯變小的現象稱為「光導電」。利用光導電特性製作的光電器件還有光電二極體和光電三極體等。

近年來廣泛使用著一種半導體發光器件--發光二極體，它通過電流時能夠發光，把電能直接轉成光能。目前已製作出發黃，綠，紅，藍幾色的發光二極體，以及發出不可見光紅外線的發光二極體。

另一種常見的光電轉換器件是硅光電池，它可以把光能直接轉換成電能，是一種方便的而清潔的能源。

（3）攙雜特性 純凈的半導體材料電阻率很高，但摻入極微量的「雜質」元素後，其導電能力會發生極為顯著的變化。例如，純硅的電阻率為214×1000歐姆/厘米，若摻入百萬分之一的硼元素，電阻率就會減小到0.4歐姆/厘米。因此，人們可以給半導體摻入微量的某種特定的雜質元素，精確控制它的導電能力，用以製作各種各樣的半導體器件
半導體的導電性能比導體差而比絕緣體強。實際上，半導體與導體、絕緣體的區別在不僅在於導電能力的不同，更重要的是半導體具有獨特的性能（特性）。

1． 在純凈的半導體中適當地摻入一定種類的極微量的雜質，半導體的導電性能就會成百萬倍的增加—-這是半導體最顯著、最突出的特性。例如，晶體管就是利用這種特性製成的。

2． 當環境溫度升高一些時，半導體的導電能力就顯著地增加；當環境溫度下降一些時，半導體的導電能力就顯著地下降。這種特性稱為「熱敏」，熱敏電阻就是利用半導體的這種特性製成的。

3． 當有光線照射在某些半導體時，這些半導體就像導體一樣，導電能力很強；當沒有光線照射時，這些半導體就像絕緣體一樣不導電，這種特性稱為「光敏」。例如，用作自動化控制用的「光電二極體」、「光電三極體」和光敏電阻等，就是利用半導體的光敏特性製成的。

由此可見，溫度和光照對晶體管的影響很大。因此，晶體管不能放在高溫和強烈的光照環境中。在晶體管表面塗上一層黑漆也是為了防止光照對它的影響。最後，明確一個基本概驗：所謂半導體材料，是一種晶體結構的材料，故「半導體」又叫「晶體」。

P性半導體和N型半導體----前面講過，在純凈的半導體中加入一定類型的微量雜質，能使半導體的導電能力成百萬倍的增加。加入了雜質的半導體可以分為兩種類型：一種雜質加到半導體中去後，在半導體中會產生大量的帶負電荷的自由電子，這種半導體叫做「N型半導體」（也叫「電子型半導體」）；另一種雜質加到半導體中後，會產生大量帶正電荷的「空穴」，這種半導體叫「P型半導體」（也叫「空穴型半導體」）。例如，在純凈的半導體鍺中，加入微量的雜質銻，就能形成N型半導體。同樣，如果在純凈的鍺中，加入微量的雜質銦，就形成P型半導體。

一個PN結構成晶體二極體----設法把P型半導體（有大量的帶正電荷的空穴）和N型半導體（有大量的帶負電荷的自由電子）結合在一起，見圖1所示。

圖1

在P型半導體的N型半導體相結合的地方，就會形成一個特殊的薄層，這個特殊的薄層就叫「PN結」。晶體二極體實際上就是由一個PN結構成的（見圖1）。

例如，收音機中應用的晶體二極體，其觸絲（即觸針）部分相當於P型半導體，N型鍺片就是N型半導體，他們之間的接觸面就是PN結。P端（或P端引出線）叫晶體二極體的正端（也稱正極）。N端（或N端引出線）叫晶體二極體的負端（也稱負極）。

如果像圖2那樣，把正端連接電池的正極，把負端接電池的負極，這是PN結的電阻值就小到只有幾百歐姆了。因此，通過PN結的電流（I=U/R）就很大。這樣的連接方法（圖2a）叫「正向連接」。正向連接時，晶體管二極體（或PN結）兩端承受的電壓叫「正向電壓」；處在正向電壓下，二極體（或PN結）的電阻叫「正向電阻」，在正向電壓下，通過二極體（或PN結）的電流叫「正向電流」。很明顯，因為晶體二極體的正向電阻很小（幾百歐姆），在一定正向電壓下，正向電流（I=U/R）就會很大----這表明在正向電壓下，二極體（或PN結）具有像導體一樣的導電本領。

圖2a 圖2b

反過來，如果把P端接到電池的負極，N端接到電池的正極（見圖2b）。這時PN結的電阻很大（大到幾百千毆），電流（I=U/R）幾乎不能通過二極體，或者說通過的電流很微弱。這樣的連接方法叫「反向連接」。反向連接時，晶體管二極體（或PN結）兩端承受的電壓叫「反向電壓」；處在反向電壓下，二極體（或PN結）的電阻叫「反向電阻」，在反向電壓下，通過二極體（或PN結）的電流叫「反向電流」。顯然，因為晶體二極體的正向電阻很大（幾百千歐姆），在一定的反向電壓下，正向電流（I=U/R）就會很小，甚至可以忽略不計，----這表明在一定的反向電壓下，二極體（或PN結）幾乎不導電。

上敘實驗說明這樣一個結論：晶體二極體（或PN結）具有單向導電特性。

晶體二極體用字母「D」代表，在電路中常用圖3的符號表示，即表示電流（正電荷）只能順著箭頭方向流動，而不能逆著箭頭方向流動。圖3是常用的晶體二極體的外形及符號。

圖3

利用二極體的單向導電性可以用來整流（將交流電變成直流電）和檢波（從高頻或中頻電信號取出音頻信號）以及變頻（如把高頻變成固定的中頻465千周）等。

PN結的極間電容----PN結的P型和N型兩快半導體之間構成一個電容量很小的電容，叫做「極間電容」（如圖4所示）。由於電容抗隨頻率的增高而減小。所以，PN結工作於高頻時，高頻信號容易被極間電容或反饋而影響PN結的工作。但在直流或低頻下工作時，極間電容對直流和低頻的阻抗很大，故一般不會影響PN結的工作性能。PN結的面積越大，極間電容量越大，影響也約大，這就是面接觸型二極體（如整流二極體）和低頻三極體不能用於高頻工作的原因