| 20世纪物理学进展与百年重大新技术 |
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作者：思议 文章来源：不可思议网 点击数： 更新时间：2006-4-21 1:10:37  |
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1928年普朗克在应用量子力学研究金属导电问题中，提出固体能带理论的基本思想能带论.根据能带论，在外电场作用下，半导体导电是靠满带中的“空穴”和导带中的电子这两种载流子进行的.“空穴”参与的导电过程称为Ｐ型导电，电子参与的导电过程称为Ｎ型导电.半导体的许多奇异特性正是由“空穴”和电子所共同决定的，能带论第一次科学地阐明了固体为什么可按导电能力的强弱，分为绝缘体、导体、半导体.
1931年英国物理学家威尔逊在能带理论的基础上，提出半导体的物理模型．他认为，由于半导体自身存在的晶体缺陷和杂质原子，使得半导体具有两种导电类型：一种是“杂质导电”，即由于半导体中的杂质电离能远比禁带宽度小，所以在较低温度下可以把电子从施主能级上激发到导带，或把满带上的电子激发到受主能级上，从而电导率升高；另一种是“本征导电”，即把满带中的电子直接激发到导带上，而使电导率升高.显然，按照这两种导电机理，半导体所有变化多端的性能和广泛的应用价值，都是由杂质导电机理决定的.因为杂质导电随样品而异，而本征导电则是固定不变的.威尔逊模型相当完好地说明了与体内性质有关的半导体的行为特征，它奠定了半导体学科的理论基础.
1939年肖特基、莫特和达维多夫，在弗兰克尔金属半导体接触的表面理论基础上，应用金属与半导体接触的“势垒”概念，建立了解释金属半导体接触整流作用的“扩散理论”.这样，能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关联逐步发展起来的半导体理论模型，便大体上构成了确立晶体管这一技术发明目标的理论背景.
大致同时，随着无线电技术发展，在1930年后，短波和超短波通信发展起来，并出现了雷达技术.随着第二次世界大战的到来，对于这两方面的研究愈显得重要，真空管已经不能响应这两种技术中如此迅速变化的电信号，人们又重新回头研究半导体检波器和整流器.由于检波器的性能与半导体材料的纯度关系很大，人们为获得好的材料，对Ⅳ族元素Ge、Si的提纯、多晶制备，以及电学性质作了大量的研究工作.1935年后贝尔实验室的一批科学家转向研究Si材料，1940年，用真空熔炼方法拉制出多晶Si棒并且掌握了掺入Ⅲ、Ⅴ族杂质元素来制造Ｐ型和Ｎ型多晶Si的技术.还用生长过程中掺杂的方法制造出第一个Si的ＰＮ结，发现了Si中杂质元素的分凝现象，以及施主和受主杂质的补偿作用.1942年，普尔都大学物理系对Ｇｅ开展全面研究，同年夏天制出了第一个Ｇｅ的结，第二年形成反向击穿电压为100Ｖ的Ｇｅ二极管，并研究了Ge整流器的设计与应用方面的问题.到战争结束的时候，半导体科学已经奠定了较为坚实的实验和理论基础.
由于真空管在应用中暴露了坚固性、可靠性不够好，响应速度有限等缺点，科学家从20世纪30年代就开始寻找一种固体放大器来代替它.1945年，二次世界大战刚结束，贝尔实验室成立了一个固体物理研究组，主要成员有：物理学家肖克利、布拉顿、巴丁，还有一些电子线路专家、物理化学家、冶金学家的参与，在大家的共同努力下，于1947年12月23日成功发明了晶体管.晶体管是在半导体理论和实验基础上发明的.由于它展示了光辉的应用前景，从而激起人们为改善晶体管，努力研究半导体物理和技术的极大热情.20世纪50年代，一批原理、工艺新颖，性能优良的半导体二极管、晶体管，登上了应用舞台.它们中有结型场效应晶体管（1951），齐纳二极管（1952），可控硅（1957），肖特基势垒二极管（1960）等，使得晶体管已经在多方面能够代替真空管.同时，属于化合物半导体系列的InSb，AlSb和GaAs，也相继研制出来.
20世纪50年代末期，由于科学家在研究半导体表面理论和技术的基础上，实现了在半导体表面形成晶体管工艺，从而在1958年4月12日研制成功了第一块集成电路，这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体管、两个电容和八个电阻），是一种小规模集成电路.集成电路的发明，是以电子元件为主的电子技术的第三次重大突破.这一突破，使电子技术沿着集成电路所开创的电子元件微型化的新道路大踏步前进.
随着集成电路集成度的不断提高，到1964年研制成功了中规模集成电路；1968年又研制成功了大规模集成电路；1973年大规模集成电路开始进入工业化生产阶段，这个阶段已经出现了集成20多万个元器件的芯片.大规模集成电路与小规模集成电路相比较，元件的功能发生了质的变化.后者需要大量的元件，甚至是整个设备才能完成的功能，而前者由一个元件就代替了.有源元件、无源元件及线路三者之间的内部矛盾关系也发生了根本改变，矛盾的主要方面从开关逻辑元件转化为传输线路连结系统，逻辑元件主要矛盾也从逻辑的简单性转化为逻辑的规则性和品种的单一性，这就为成批生产大规模集 上一页 [1] [2] [3] [4] [5] 下一页 |
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