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材料物理与化学专业概论材料物理（3） 小 结 需要材料物理的领域： 新发展起来的高科技材料，非常重要，应用非常广泛 我国已经在很多方面成为世界第一生产大国 这些材料性能还迫切需要大大提高 大部分核心技术知识产权我国没有掌握 有非常大的发展前途 电子信息科学中的材料物理 20世纪对人类社会的最大冲击是以 半导体为基础的电子信息技术 -----电子信息时代（半导体时代） 人类的生产结构、科研手段、战争模式、 乃至生活方式、思想方式都产生了跃变 信息技术能够有今天，材料起了关键作用 用到大量具有一定物理性能的材料 计算机发展靠什么 电子信息技术核心是大家非常熟悉的计算机 计算机已经是不可或缺的工具 是否想到： 计算机的功能是怎么实现的? 计算机是靠什么发展起来的？ 材料在计算机发展中起了决定性作用 计算机的发展 人类社会生活和科学技术需要计算 为了需要发明出各种计算方法 笔算 算筹 珠算 计算尺（对数计算尺） 手摇计算机 … … 计算机的发展 科学技术的发展需要越来越多的计算（计算量，计算速度） 1946年Honeywell公司研制出第一台电子计算机ENIAC （安装在UP）, 计算弹道，17468个真空电子管，460m3， 100m2房间，耗能174千瓦 庞大，速度慢，耗能高 面临的问题：计算机进一步怎么发展？ 计算机的发展 1949年有计算机专家预言：未来与ENIAC同等功能的计算机，只需要1500个电子管，象汽车一样大，耗能10千瓦（仅从电路设计考虑） 计算速度慢，每秒运算5000次（现在500万亿次） (08年9月报道:我国新制成曙光5000A每秒230万亿次) 如果让ENIAC一直工作到今天，60年的计算工作量不到现在必威体育精装版计算机0. 01秒的计算工作量 山穷水尽疑无路 电子管决定的，只有找新材料来解决----半导体材料 材料解救计算机于困境（半导体材料） 半导体材料的发展和应用 解救计算机于困境 1947年12月23日巴丁、肖克来、布拉顿展示了世界第一只半导体材料制备的晶体管的放大作用 1950年制出第一只实用晶体管 （1956年获诺贝尔奖） 计算机发展与材料物理（半导体） 半导体材料（Semiconductor） 电阻率介于导体和绝缘体之间 10-4 ~ 1010 Ω?cm 元素半导体：Si、Ge， … 化合物半导体：III-V族GaAs，GaN，GaAlN … II-VI族CdS，ZnS，ZnO …… 计算机发展与材料物理（半导体） 微量杂质，晶体缺陷，外加电场，磁场，光，温度，环境（气氛，湿度）等会使电阻率发生巨大变化，常常是数量级的变化 极为广泛的应用 微电子，太阳能电池，LED光源，激光器，透明导电膜，光电转换，传感器，通讯，遥控器… … 没有半导体材料就没有现代科技 半导体时代 为什么会有这样性质？不是仅仅电阻大一些 搞材料的人如果不懂半导体材料实在遗憾 计算机发展与材料物理（半导体） 半导体中导带与价带不重叠， 但能量间隙不宽 （几电子伏特，eV） 能带----量子力学的概念 半导体的发展完全由于 量子力学的建立 研究半导体材料需要材料物理 (清华材料专业要学量子力学的) 计算机发展与材料物理（半导体） 1925~1926 量子力学建立 （1929、32、33诺贝尔奖） 二十世纪最重要的成就之一 电子的波动性（用波函数描述电子） 研究晶体中的电子行为： 泡利原理，能级和能带理论，电子和空穴概念， 费米面，场效应原理…… 为半导体材料的发展和应用打下理论基础 计算机发展与材料物理（半导体） 半导体管原理早已经设计好，但无法实现 晶体中缺陷的影响（杂质，位错，晶界等） Si--99.9999999%，加入1ppm就可以变为良导体 制备出完整(无缺陷)的锗单晶体（1950年） （物理与材料相互促进） 大量生产，质量，价格 收音机，晶体管计算机 直径300mm，长1m多 计算机发展与材料物理（半导体） 晶体管计算机 我国1964年研制成功哈工大康鹏