高中物理人教大纲版第二册：14.3 半导体及其应用（备课资料）.docVIP

●备课资料 晶体管与半导体科学技术的发展 在20世纪的100年中，物理学的研究有了飞速的发展.世纪初相对论和量子力学两大现代物理学支柱的建立，对物理学乃至整个自然科学的发展奠定了重要基础.激光科学、核科学、半导体科学等学科的发展无不与现代物理学的发展密切相关.就半导体科学技术而言，它以现代物理学的发展作为重要支撑，以第一只晶体管的发明作为重要契机，50多年来半导体科学与技术的迅速发展对全球的技术进步和经济发展起着重要作用.众所周知，支撑IT产业发展的核心是半导体技术的快速发展，正是有了超大规模的集成电路，才有了我们今天各种现代化的高智能仪器和设备，才有了Internet和Web，才有了当今世界经济的大发展.可以说半导体科学技术的发展与全球经济的发展紧密相关，它成为20世纪中后期发展最迅速、运用最广泛、影响最深远的一项高新技术，充分体现了科学技术是第一生产力. 1.从电子管到晶体管 1947年12月16日是一个值得纪念的日子，这一天第一只晶体管诞生在美国著名的贝尔实验室，相对于电子器件的前辈——电子管来说，晶体管的发明无疑是电子器件中的一场革命，此后半导体晶体管逐步取代电子管，使科学技术跃上了新的更高的层次. 二次大战的爆发，对新的电子器件的需求更加迫切，在现实面前，寻找更好的电子器件来弥补电子管的不足摆到了重要的地位.在这种背景下，半导体的作用开始凸现，在研究新的半导体电子器件的工作中，美国物理学家肖克利、巴丁和布拉顿发挥了重要作用.肖克利在20世纪30年代就曾指出：只有通过研究半导体，以半导体作为新的电子器件的材料，才有可能实现研制新电子器件的突破.1947年12月16日，巴丁和布拉顿在一块锗半导体上成功地实现了电流放大，这是第一只半导体晶体管.1949年肖克利提出P—N结理论，1950年试制出第一只P—N结晶体管.从而开辟了电子器件的新纪元.1956年12月10日，发明晶体管的三位美国科学家肖克利、巴丁和布拉顿被授予诺贝尔物理学奖，他们是当之无愧的. 2.从分列半导体元件到超大规模集成电路 现代电子学和半导体技术二者都是在晶体管的发明后开始的.10多年之后，集成电路问世，这些关键性事件导致了电子技术革命.半导体集成电路是将晶体管、二极管等有源元件和电阻、电容等无源无件按照一定的电路互联，“集成”在一块半导体单晶（主要是硅单晶）片上形成的.1958年制成了第一只单片集成电路，集成电路在缩小体积、降低成本、提高可靠性、降低功耗、提高速度等方面，都有着巨大的优越性和潜力. 一般认为集成度在100个元件以下称为小规模集成电路（SSI），主要在50年代末发展；集成度在100~1000个元件的称为中规模集成电路（MSI），主要在60年代发展起来；集成度在103~105个元件的称为大规模集成电路（LSI），主要在70年代发展；特别在1971年微处理器问世以来，计算机设计和集成电路技术融合在一起，使整台计算机可以做在一个芯片上，集成度在105个元件以上一般称为超大规模集成电路（VLSI），主要在80年代发展.特大规模集成电路也就是在一个指甲大小（约1.5 cm2）的芯片上，最高集成了约6亿个元器件，相当于一根头发上有300个元器件. 在集成电路的发展过程中，美国科学家基尔比起了重要作用.1958年9月，基尔比的第一个安置在半导体锗片上的电路取得成功，称为“相移振荡器”.这是半导体集成电路的最早雏形，由于基尔比对发明集成电路所做的奠基性贡献而成为2000年诺贝尔物理学奖得主.集成电路和微处理机的出现不仅深刻地改变了电子技术的面貌和原有设计理论基础，而且成为现代科学技术的重要基础之一.集成电路向功能越来越大的方向发展.使整机、线路与元件、器件之间的明确界限被突破，器件问题和线路甚至整机系统问题已经结合在一起.体现在一小块硅片上，这样形成了固体物理、器件工艺与电子学三者结合的新领域——微电子学. 30多年来，摩尔定律已经成为计算机工业的一个不可动摇的原则：每隔18个月，硅芯片上晶体数目就会翻一番.在过去10年中，这条定律所描述的技术进步不断冲击着计算机工业：晶体管越做越小，芯片性能越来越高，计算能力呈指数性增长.英特尔科学家保罗提出现有晶体管模式及技术已经临近发展极限，摩尔定律将很快遇到潜在不可逾越的障碍.晶体管做到如此之小，要不了多久，在芯片上安插单个原子的技术对于芯片小型化将变得至关重要. 3.从第一代半导体材料到第三代半导体材料 IV族元素中的硅和锗都是具有灰色金属光泽的固体，硬而脆，是最典型的半导体材料.目前使用的半导体材料主要是硅.其制成的晶体二极管既能检波又能整流，晶体三极管有对信号放大和开关作用，在各种无线电装置中作为放大器和振荡器.利用超纯硅对1~7 μm红外透过率高达90%~95%这一特征，制作红外聚焦透镜，用以对红外辐射目标