半導體材料的發展及應用

摘 要： 自然界中的物質，根據其導電性能的差異可劃分為導電性能良好的導體、幾乎不能導電的絕緣體和半導體，本文介紹了半導體材料的發展與應用。

關鍵詞： 半導體材料 發展 應用

自然界中的物質，根據其導電性能的差異可劃分為導電性能良好的導體（如銀、銅、鐵等）、幾乎不能導電的絕緣體（如橡膠、陶瓷、塑料等）和半導體（如鍺、硅、砷化鎵等）。

半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的一種物質。它的導電能力會隨溫度、光照及摻入雜質的不同而顯著變化，特別是摻雜可以改變半導體的導電能力和導電類型，這是其廣泛應用于制造各種電子元器件和集成電路的基本依據。

下面就其半導體的發展與應用加以介紹。

一、半導體材料的發展

第一代半導體是“元素半導體”，典型如硅基和鍺基半導體。其中以硅基半導體技術較成熟，應用也較廣泛，一般用硅基半導體來代替元素半導體的名稱。

第二代半導體材料是化合物半導體。化合物半導體是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和氮化鎵（GaN）等為代表，包括許多其它III—V族化合物半導體。這些化合物中，商業半導體器件中用得最多的是砷化鎵（GaAs）和磷砷化鎵（GaAsP）、磷化銦（InP）、砷鋁化鎵（GaAlAs）和磷鎵化銦（InGaP）。其中砷化鎵技術較成熟，應用也較廣泛。

二、半導體材料的應用

半導體材料的早期應用：半導體的第一個應用就是利用它的整流效應作為檢波器，就是點接觸二極管（也俗稱貓胡子檢波器，即將一個金屬探針接觸在一塊半導體上以檢測電磁波）。除了檢波器之外，在早期，半導體還用來做整流器、光伏電池、紅外探測器等，半導體的四個效應都用到了。從1907年到1927年，美國的物理學家研制成功晶體整流器、硒整流器和氧化亞銅整流器。1931年，蘭治和伯格曼研制成功硒光伏電池。1932年，德國先后研制成功硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛等半導體紅外探測器，在二戰中用于偵測飛機和艦船。二戰時盟軍在半導體方面的研究也取得了很大成效，英國就利用紅外探測器多次偵測到了德國的飛機。

今天，半導體已廣泛地用于家電、通訊、工業制造、航空、航天等領域。1994年，電子工業的世界市場份額為6910億美元，1998年增加到9358億美元。而其中由于美國經濟的衰退，導致了半導體市場的下滑，即由1995年的1500多億美元，下降到1998年的1300多億美元。經過幾年的徘徊，目前半導體市場已有所回升。

三、第二代半導體材料的發展方向

當前化合物半導體產業發展主要體現在以下五個方面。

1.消費類光電子。光存貯、數字電視與全球家用電子產品裝備無線控制和數據連接的比例越來越高，音視頻裝置日益無線化。再加上筆記本電腦的普及，這類產品的市場為化合物半導體產品的應用帶來了龐大的新市場。

2.汽車光電子市場。目前汽車防撞雷達已在很多高檔車上得到了實用，將來肯定會越來越普及。汽車防撞雷達一般工作在毫米波段，所以肯定離不開砷化鎵甚至磷化銦，它的中頻部分才會用到鍺硅。由于全球汽車工業十分龐大，因此這是一個必定會并發的巨大市場。

3.半導體照明技術的迅猛發展。基于半導體發光二極管（LED）的半導體光源具有體積小、發熱量低、耗電量小、壽命長、反應速度快、環保、耐沖擊不易破、廢棄物可回收，沒有污染，可平面封裝、易開發成輕薄短小產品等優點，具有重大的經濟技術價值和市場前景。特別是基于LED的半導體照明產品具有高效節能、綠色環保優點，在全球能源資源有限和保護環境可持續發展的雙重背景下，將在世界范圍內引發一場劃時代的照明革命，成為繼白熾燈、熒光燈之后的新一代電光源，進入到千家萬戶。目前LED已廣泛用于大屏幕顯示、交通信號燈、手機背光源等，開始應用于城市夜景美化亮化、景觀燈、地燈、手電筒、指示牌等，隨著單個LED亮度和發光效率的提高，即將進入普通室內照明、臺燈、筆記本電腦背光源、LCD顯示器背光源等，因而具有廣闊的應用前景和巨大的商機。

4.新一代光纖通信技術。新一代的40Gbps光通信設備不久將會推向市場，代替25Gbps設備投入大量使用。而這些設備中將大量使用磷化銦、砷化鎵、鍺硅等化合物半導體集成電路。

5.移動通信技術正在不斷朝著有利于化合物半導體產品的方向發展。目前二代半（2.5G）技術成為移動通信技術的主流，同時正在逐漸向第三代（3G）過渡。二代半技術對功放的效率和散熱有更高的要求，這對砷化鎵器件有利。3G技術要求更高的工作頻率，更寬的帶寬和高線性，這也是對砷化鎵和鍺硅技術有利的。目前第四代（4G）的概念已明確提出來了。4G技術對手機有更高的要求。它要求手機在樓內可接入無線局域網（WLAN），即可工作到2.4GHz和5.8GHz，在室外可在二代、二代半、三代等任意制式下工作。因此這是一種多功能、多頻段、多模式的移動終端。從系統小巧來說，當然會希望實現單芯片集成（SOC），但單一的硅技術無法在那么多功能和模式上都達到性能最優。要把各種優化性能的功能集成在一起，只能用系統級封裝（SIP），即在同一封裝中用硅、鍺硅、砷化鎵等不同工藝來優化實現不同功能，這就為砷化鎵帶來了新的發展前景。

參考文獻：

［1］章喜才主編.電工及電子技術.北京：機械工業出版社，2007.8.

［2］韓廣興主編.電子技術基礎應用技能.北京：電子工業出版社，2008.6.