半导体性质及发展

半导体材料性质、发展及应用
摘要：半导体具有许多独特的性质，并被用来制成各式各样性能好、体积小、可靠性高的电子器件。

目前，种类繁多，性能各异的半导体器件已广泛地应用于现代工业，现代科技和现代国防，并已深入到各个家庭之中，所以，半导体器件的生产、应用水平已成为衡量一个国家现代文化程度的重要标志。

半导体科学技术发展就成为现代科学技术中的重要部分，半导体物理学也逐渐成为固体物理学中的一支重要分支。

关键词：半导体种类性能应用
正文：
一、半导体简介：
电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质称为半导体：室温时电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm之间（上限按谢嘉奎《电子线路》取值，还有取其1/10或10倍的；因上角标暂不可用，暂用当前方法描述），温度升高时电阻率则减小。

半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。

锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。

除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

二、半导体的一般特性：
（1）高纯半导体的电阻率随温度上升而下降，即具有负的温度系数。

（2）导电性能随外界影响而显著变化。

（a)用光照或高能粒子辐照半导体，可使其电阻率下降；（b)半导体中含有杂质（外来原子）时，其导电性能在很大程度上取决于杂质的类型及浓度。

（3）具有比金属强得多的霍耳效应及温差电效应。

而且，半导体的霍耳系数可为正、负或零（金属的霍耳系数为负）。

金属的温差电动势率一般在几个微伏/度的数量级，个别的可达几十个微伏/度。

半导体的温差电动势率一般在几百微伏/度的数量级。

三、半导体材料的分类；
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.有机半导体材料
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。

四、半导体的发展史：
1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。

这是半导体现象的首次发现。

不久，1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。

在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。

同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。

1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。

半导体的这四个效应，(jianxia霍尔效应的余绩──四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。

而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。

1947年12月23日第一块晶体管在贝尔实验室诞生，从此人类步入了飞速发展的电子时代。

在晶体管技术日新月异的60年里，有太多的技术发明与突破，也有太多为之作出重要贡献的人，更有半导体产业分分合合、聚聚散散的恩怨情仇，当然其中还记载了众多半导体公司的浮浮沉沉。

1958年，美国德州仪器公司和仙童公司各自研制发明了半导体集成电路（IC）之后，发展极为迅猛，从SSI（小规模集成电路）起步，经过MSI（中规模集成电路），发展到LSI（大规模集成电路），然后发展到现在的VLSI（超大规模集成电路）及最近的ULSI（特大规模集成电路），甚至发展到将来的GSI（甚大规模集成电路），届时单片集成电路集成度将超过10亿个元件。

1959年首次将集成电路技术推向商用化的飞兆半导体公司，也是曾经孵化出包括英特尔、AMD、美国国家半导体、LSI Logic、VLSI Technology、Intersil、Altera 和Xilinx等等业界众多巨擘的飞兆半导体，现在已成为专注于功率和能效的公司；曾经在上世纪80年代中连续多年位居半导体产业榜首的NEC，在90年代中跌出前10后，再也没有东山再起；更有与发明第一块晶体管的贝尔实验室有着直系血缘的杰尔(Agere)，通过多次变卖，被“四分五裂”找不到踪迹。

1959年，天津拉制出硅（Si）单晶。

1960年，中科院在北京建立半导体研究所，同年在河北建立工业性专业化研究所――第十三所（河北半导体研究所）。

1962年，天津拉制出砷化镓单晶（GaAs），为研究制备其他化合物半导体打下了基础。

1962年，我国研究制成硅外延工艺，并开始研究采用照相制版，光刻工艺。

1963年，河北省半导体研究所制成硅平面型晶体管。

1964年，河北省半导体研究所研制出硅外延平面型晶体管。

1965年12月，河北半导体研究所召开鉴定会，鉴定了第一批半导体管，并在国内首先鉴定了DTL型（二极管――晶体管逻辑）数字逻辑电路。

1966年底，在工厂范围内上海元件五厂鉴定了TTL电路产品。

这些小规模双极型数字集成电路主
要以与非门为主，还有与非驱动器、与门、或非门、或门、以及与或非电路等。

标志着中国已经制成了自己的小规模集成电路。

1968年，组建国营东光电工厂（878厂）、上海无线电十九厂，至1970年建成投产，形成中国IC产业中的“两霸”。

1968年，上海无线电十四厂首家制成PMOS（P型金属－氧化物半导体）电路（MOSIC）。

拉开了我国发展MOS电路的序幕，并在七十年代初，永川半导体研究所（现电子第24所）、上无十四厂和北京878厂相继研制成功NMOS电路。

之后，又研制成CMOS电路。

七十年代初，IC价高利厚，需求巨大，引起了全国建设IC生产企业的热潮，共有四十多家集成电路工厂建成，四机部所属厂有749厂（永红器材厂）、871（天光集成电路厂）、878（东光电工厂）、4433厂（风光电工厂）和4435厂（韶光电工厂）等。

各省市所建厂主要有：上海元件五厂、上无七厂、上无十四厂、上无十九厂、苏州半导体厂、常州半导体厂、北京半导体器件二厂、三厂、五厂、六厂、天津半导体（一）厂、航天部西安691厂等等。

1972年，中国第一块PMOS型LSI电路在四川永川半导体研究所研制成功。

五、半导体的应用：
1．大规模集成电路和计算机；
2．光通信技术；
3．无线通信技术；
4．太阳能电池；
5．半导体发光管；
6．光盘存储和激光器；
7．军事和环保方面的应用。

如：半导体- 医疗电子半导体
根据市场研究机构Databeans预测，至2011年医疗电子用半导体产值将超过40亿美元，以家用市场成长速度最快，平均年成长率高达12%。

另一研究机构BCCResearch的最新调查报告也指出，全球家用医疗设备市场规模将从2007年的146亿美元，至2012年时成长到204亿美元，年成长率(CAGR)将达到6.8%。

辅助复健、治疗装置、监视/传感器与遥测装置等，成为家用电子医疗市场的大头，光以血糖测量仪来看在2007年就有70亿美元商机，而到了2012年将成长到89亿美元；而有益健康的家用医疗装置，预估更将大举成长25%。

全球医疗电子市场的热闹，受到以下趋势所影响：(1)人口老龄化。

(2)发达国家和发展中国家的人们对于增进健康照顾的期望持续增加。

(3)保险公司和雇主在医疗开销的支付和保险范围逐渐消减，但受保人或病患需缴纳的费用却日益增加。

(4)日新月异的科技可针对许多症状较轻微的疾病，给予早期分析、预防与治疗。

其中，人口老龄化是推动家用医疗电子发展的主力之一，也是全世界各国都面临的问题。

根据联合国报告指出，公元2000年全球老年人口达6亿人，预估至2050年将增至20亿，老年人口比例将高达21%。

人口数最多的中国，同样也将拥有最多的老年人口。

根据国家统计局发布的数据显示，2007年65岁及以上人口占全国总人口的比重达到8.1%，估计到2025年，老年人口将从现在的1亿4千6百万，增加到2亿9千万人。

BCC分析报告也指出，若以区域性来看家用医疗电子市场的销售额百分比，美国与加拿大目前是最大、也是成长最快的市场，占有全球市场的34.2%；而药品和医疗器械产品在其医药总产值中各占一半的欧盟占28.9%；包含中国在内的其它二十个
发展中国家，则占市场比例的22.8％。

从生病了才看医生的治疗，到预防疾病的预防，在电子科技的推波助澜之下，保健医学将是未来的显学。

不但大型的医院用治疗仪也逐渐朝便携式、经济型家用康复治疗器的方向发展，例如，全自动体外电击器(AutomatedExternalDefibrillator,AED)、生育监测仪(FertilityMonitoringDevice)等；每个家庭也会将家庭医疗与保健视为必要的投资，选购家用医疗电子设备就像选购电视与冰箱等家电般平常。

以上种种因素，让家用医疗电子设备被美国《财富》杂志预测为21世纪前十年最具发展潜力的产业的第一名，也成为半导体厂商抢进的重点市场。

全球半导体厂商积极投入
目前家用医疗电子市场的主要供货商包括强生(Johnson&Johnson)、罗氏诊断(RocheDiagnostics)与拜耳医疗保健事业(BayerHealthcare)三大龙头，并且都拥有超过10%的市场占有率，其中强生更以37%的市占率稳居首位。

近年来，全球半导体、硬件与软件等代表性的大公司动作频频，进行垂直整合的计划性投入，包括微软、英特尔、飞利浦等厂商，已开始将焦点移到家用医疗电子市场，希望以高新技术与成本优势切入原本封闭的医疗产业，局势渐渐有所不同。

先是英特尔成立数字医疗事业部(DigitalHealthGroup)，并与美国微芯科技(Microchip)宣布成立医疗产品部门，再与医疗器材制造商合作，陆续发表医疗用相关感测芯片与技术；德州仪器也于2007年初，在其高效能模拟事业群下成立医疗/高可靠性产品线，集中所有可用于医疗电子的相关产品；飞利浦在新加坡成立亚太第一座医疗诊断设备学习中心，强化在亚太地区对先进医疗保健的投入；而韩国三星集团旗下的三星首尔医院，则广泛应用了三星电子自行开发的医疗系统。

半导体厂商目前着墨的医疗应用领域包括移植设备(心律调整、神经刺激、药物供给和肥胖治疗)、便携式设备(诊断影像、氧气治疗和病人监护)、家用设备(生理监视器、疾病管理、康复、遵守监督和医疗信息终端)及安全设备(耗材鉴定和数据保密)，以及无线技术(如Bluetooth和IrDA)与RFID等。

为了能尽快进入医疗市场，英特尔、三星电子、德州仪器、松下、摩托罗拉与飞利浦等大厂，也共组开放性业界联盟ContinuaHealthAlliance，希望通过合力建构统一标准来解决互通性问题，并降低研发成本、提升医疗技术与质量。

该联盟勾勒了包括健身、疾病管理和老年人保健系统的市场远景，认为这些系统都将相互连接并通过PC、手机和数字电视连接到网络，预计在今年年底推出第一批具备互通性的相关商品。

根据专业研究机构Databeans最新的报告内容，2007年医疗半导体市场由Toshiba、意法半导体与德州仪器等大厂所独占。

然而随着更多新兴的需求增加，越来越多其它供货商正逐渐分食这块市场大饼。

由于产品设计对于更小尺寸、更低功耗与更高速度的要求提高，因此传感器、电源芯片、数据转换器等为是医疗电子需求最大的半导体器件；而信号调节和处理、接口以及无线技术，为最看好的新兴产品领域。

预估2008年电子医疗的销售总额将达到30亿美元。

然而，产业链若要完备当然还需要软件厂商的支持，其中以甲骨文(Oracle)及德国思爱普(SAP)最为积极，持续研发多项相关软件平台，希望符合各硬件大厂所推出的医疗产品及规格，解决互通性的问题，促进市场成熟。

诊断与治疗为医疗电子现阶段最主要的应用范畴，不过快速成长的家用医疗电子市场，才是半导体供货商最看好的商机焦点。

尤其在开发中国家市场，家用医疗设备是逞可能成长更为快速。

开发中国加经济起飞、所得翻升数十倍，但人
们花费在在医疗的开支也相对的节节高升。

然而，传统的医疗基础设施不一定能满足现有需求，而且建设与医疗成本皆高昂，人力资源也不一定足够，因此有市场分析师认为，家用医疗电子设备可能如手机般，以跳跃式的成长，在短期间内获得实现。

家用医疗设备将走消费性电子路线。

医疗装置与电子技术的革新及整合，让人们可以居家照顾并监测自己的健康状况，不需完全仰赖医护人员或住进医院。

家用医疗电子装置与系统主要为预防导向，并由消费者的需求所主导，这些智能型装置的使用接口亲和，甚至可穿在身上、记录病患信息，并且能透过无线网络传送，不仅有益人们及早发现健康问题，也能协助医生有效率的掌握病患状况。

试着想象当我们刷牙时，牙刷中的生化传感器可以立即检查血糖与口腔细菌数，握住牙刷的刷柄就可以将我们个人医疗信息传送到数据库中。

此外，戴上嵌有微电脑屏幕的眼镜，便可以帮助记得东西放的位置和其它人的信息，这些都是家用医疗电子正在研发的装置。

未来，也许连我们贴在伤口的绷带都能以光纤制作并侦测病毒或细菌数量，主动提醒我们更换；或者，还有能够发现并摧毁成为肿瘤的癌细胞的设备，以及药品调配的设备等，这意味着未来许多治疗及诊断性的医疗设备，可以朝“消费性商品”的角度发展，同时也能刺激更多厂商开发智能型且易于携带、使用的消费性电子医疗器材。

半导体厂商的投入与技术研发，希冀未来每个人都可以用更便利与经济的方式，照顾自己的健康，甚至在意外发生或危难时，在医护人员尚未到达时，可以作为救援自己或别人的帮手。

参考文献：
1、河南出版社《固体物理学》，主编：陈霞。

2、凌玲. 半导体材料的发展现状[J]. 新材料产业 , 2003,(06)
3、王占国. 半导体材料研究的新进展[J]. 半导体技术 , 2002,(03)。