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除了硅之外,找寻新的半导体

发布者:科探仪器发布时间:2016-08-17 16:35浏览次数:

现代社会离不开半导体,电脑手机数码相机等等,半导体正日益成为飞速发展的电子设备的关键部件。环顾四周,房间里高效LED灯、汽车、冰箱、烤炉和煮咖啡机等,处处可见半导体电路。
 
尽管大多数人都听说过硅和硅谷,但他们并未意识到硅仅仅是这一类材料之一。
 
硅,作为半导体材料的主力,使用在计算机和电子设备方面,也存在一定的技术局限性,尤其是当工程师试图使用电子设备发光的时候。研究者们正在寻找新的半导体材料,那么这些新材料来自哪里呢?
 
什么是半导体?
 
顾名思义,半导体是一类只在特定温度下导电的材料,其不同于大多数金属,在任何温度下都具有导电性,也不同于绝缘体如玻璃、塑料和石头,通常不能导电。
 
然而,这并不是它们最重要的特性。当操作适当时,这些材料可以改变电子的流动,包括限制其流动方向和放大信号。
 
这些性能的结合是构成现代电子设备的二极管和三极管的基础。这些电路元件起到了很大的作用,包括充电时转换电流和处理0和1形式的信息。
 
光也能被半导体吸收,然后转化成电流和电压。反过来,电也能发光。利用这种特性,研究人员制备了激光、LED灯、数码相机和许多其他设备。
 
硅的兴起
 
半导体的最初发现可追溯到十九世纪三十年代。截止到十九世纪八十年代,Alexander Graham Bell使用硒做实验通过一束光来发声。硒也用于第一代的太阳能电池。
 
关键的限制是无法提纯使用的元素。微小的杂质(小达万亿分之一)也能影响到半导体的性能。随着提纯技术的发展,更好的半导体也应运而生。
 
1948年,第一个半导体三极管由锗组成,但是硅很快就成为了半导体材料主力。硅具有机械强度,相对容易提纯等优点。地壳中硅的成份有28.2%,这使得其价格便宜。这些几乎完美的半导体制备的二极管和三极管性能优良,仍是电脑芯片的基础。只是存在一个问题:硅在将光转化为电信号或将电转化为光的时候效率很低。
 
半导体最初用在与金属线连接的电脑处理器中时,这个问题并未凸显出来。然而,当我们将半导体应用到太阳能面板,镜头传感器和其它与光相关的设备时,硅的这种缺陷阻碍了它的应用发展。
 
寻找新的半导体
 
研究者们从元素周期表右半部分开始寻找新的半导体。
 
在第IV族,每种元素通过与四周原子共享四个电子形成化学键。其中键合最强的是碳,可形成金刚石。金刚石是很好的绝缘体。在该族的底部,锡和铅更具有金属性。硅和锗介于之间,是半导体。
 
为了找寻更合适的半导体材料,研究者们将第 III族和第 V族的元素结合起来,如GaAs,然后将结合后的材料用于制备激光、LED灯、光电探测器和其它设备,从而改善了硅的光电转换效率低的不足。
 
但是由于成本和第III-V族材料易碎等缘故,硅仍广泛地应用在太阳能面板中。除了第III-V族材料外,第II-VI族材料也可用用作半导体器件中。
 
半导体的未来
 
新的半导体材料将会得到如何应用?
 
高能的III-V族半导体电子设备将成为电网系统的主干,高效的进行光电转换。新的III-V族材料将引领红外检测在医学、军事和其他日常生活方面的应用方向。研究者们将探索来源丰富的化合物来制备高效价廉的新型半导体。
 
而对于硅来说,研究人员并未因它的缺点而将其舍弃,他们创造了“硅光子”来更好地控制光。在硅或锗中掺入微量的第IV族元素锡,可以改变了半导体的性能,从而使其更有效地吸收和发射光。
 


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