我所了解的前沿科技之半导体技术

  现在科技发展日新月异，每一项前沿科技的突破都有可能推动其他产业发生翻天覆地的变化。现在新材料，新能源，生物技术，信息工程已然成为研究的热点。作为一种被发现很早，但仍然有巨大研究前景的材料，半导体理应受到人们的关注。现在就我所了解的半导体介绍如下

半导体，是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

　  物质存在的形式多种多样，固体·液体·气体·等离子体等等。我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学界认可。

半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，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，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。 

　　很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多年呢？主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料，很多与材料相关的问题就难以说清楚。 

半导体于室温时电导率约在10ˉ10～10000/Ω·cm之间，纯净的半导体温度升高时电导率按指数上升。半导体材料有很多种，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。除上述晶态半导体外，还有非晶态的有机物半导体等和本征半导体。

自1948年世界上第一枚晶体管和1958年第一块集成电路问世以来，通过迅速创新，到2002年半导体工业发展成为1400多亿美元的行业。半导体被用于许多终端市场：

半导体的应用

1.个人计算机、笔记本电脑、工作站、服务器

上述产品含有各种半导体，包括处理器、存储器、图形芯片，以及通信相关IC。PC和移动电话占整个半导体市场消费量的近50%。 

　　　　半导体性能不断提高使存储密度迅速上升。应用范围从用于个人数字处理（PDA）和移动电话等便携式产品的快闪存储器，到用于硬盘驱动、CD和DVD存储装置的读取头。光纤通道、网络附加存储（NAS）和存储区域网（SAN）的发展推动了半导体工业的长期增长。

　　3.消费类电子产品

　　消费类半导体范围从微波炉的微控制器，到DVD播放机和游戏机（如微软Xbox）的高端多媒体处理器。

　4.汽车

　　尽管整个汽车市场在下降，但汽车中的半导体含量稳步提高。目前，汽车平均硅含量高于载人登月的宇宙飞船。除了其他用途外，汽车半导体主要用于传动系、发动机控制单元以及气囊和座位传感器。据Infineon预测，汽车平均电子产品含量将从目前的22%提高到2010年的35%。2001年，汽车制造商装上汽车的电子元器件达到1340亿美元。预计到2020年该数字将提高到2890亿美元。2001年的数字包括117亿美元的半导体，预计到2020年达到214亿美元。Telematics　Research估计，到2010年，每一辆豪华型汽车将采用50～70个微处理器，计算能力为目前PC的12～15倍。

　　5.通信和网络

　　产品应用范围从移动电话、PDA和机顶盒，到光纤传输设备、局用交换机、高速路由器和插分多路转换器（ADM）。

　　6.工业/医疗/军用

该大类包括过程控制、图像显示以及自动测试设备等工业应用半导体，以及军用和航空航天应用半导体，如用于雷达、声波定位和测距系统的嵌入式计算机。半导体还引领了医疗领域的发展。应用领域包括带嵌入式处理器的起搏器和恢复重度听力障碍的耳蜗植入器。尽管工业/医疗/军用占终端市场应用的比例不足15%，但却比较稳定。

半导体发展情况及前景

自1978年以来，全球半导体工业的增长速度是电子产品终端市场年增长率的1倍。在整个20世纪90年代，半导体在电子系统中的总含量大约为15%～20%。最近两个周期该比例最高达到21%，最低为3%～4%。25年前，半导体在电子系统中的含量不足10%。IC　Insights估计2002年全球电子系统销售额下降6%，降至7900亿美元，这是继2001年下降14%后的连续第二年下降。由于2002年半导体销售额略有增长，估计半导体约占电子产品销售额的18%。

半导体的增长动力取决于半导体终端市场和应用。最近10年推动半导体增长的主要动力是通信和网络应用市场的不断创新。新增用户和新的应用使因特网通信量不断增加，从而引发了加大带宽的需求。通信半导体和光学元件为加大带宽提供了可能。许多新应用成为主流。现在每天穿越全球的电子邮件不计其数，许多都带有多媒体附件，如数字照片、视频和MP3音乐文件。与因特网连接的设备激增，包括具有数据功能的手机和可发送电子邮件的PDA。半导体工业在不断创新中寻求发展。如日本NTT的光电实验室最近开发出一种基于磷化铟的芯片，信号交换速度达到100Gbit/秒，采用0.10微米技术。这种多路转换器可提高光通讯的传输速度。应用的不断发展将推动对更大的带宽、更高的存储和处理能力的需求，所有这些特点都可由半导体提供。通信和网络市场的主要趋势包括：

1. 智能联网设备需要更多的半导体

随着对智能联网设备等产品的需求上升，要求用更多的半导体提供数据包分类和功率管理。

2.梅特卡夫定律

　　梅特卡夫通信定律认为，网络效应等于用户数的平方。即一旦达到网络效应要求的最低用户数量，就会对经济和社会体系产生巨大影响。因特网就是最好的例子。1993年网络上大约有250万台主机，达到最低数量。从此以后计算成本大大下降，因特网呈几何级数迅速增长。随着成本继续下降，预计新应用的发展将推动需求增长。

3.语音应用持续增长

　　尽管语音应用的年增长率仅为4%～5%，但装机基础很大，有线和无线用户超过10亿。由于与网络连接的设备数量和种类激增，因此语音可能成为“杀手级应用”。拥有模拟和RF专有技术的公司在利用这一趋势上得天独厚。

4.存储器和存储需求继续增长

　　尽管存储器市场是周期性的，但电子设备中的存储器数量始终强劲增长。新的应用如机顶盒、电视节目编制和存储功能将继续推动这一趋势。2003年底或2004年初蓝色激光技术的引入将大大提高存储密度，开创新的应用领域。用于手机等便携式产品的快闪存储器的密度不断提高，可提供更具特色的应用。在企业方面，前沿企业正聚焦经由NAS和SAN的数据存储。

5.技术创新和成本下降将开创新的更大的市场应用

在技术方面，新的创新不断开辟新应用和新市场。半导体和光纤的发明就是这种创新。预计这种创新趋势还将继续，驱动行业增长的创新型产品将不断涌现。与此同时，半导体的成本以年均30%的速度下降。即同样的性能水平每年成本下降30%。这种趋势在数字娱乐电子产品领域尤为明显。

　　自1970年以来，半导体工业以15%的复合年增长率发展。事实上，半导体工业从未以接近15%的平均增长水平。半导体工业经历了几个涨落周期，高速增长期后紧接着就是急剧下降。20世纪90年代，半导体销售波动大部分是由于存储器价格涨落失控。尽管半导体工业受到全球宏观经济形势的影响，但结构驱动因素如PC普及率提高和全球通信基础设施建设形成了强大的需求动力。

　　2001年前，1985年是下降幅度最大的一年，半导体工业收缩了16%。迄今大幅度下降大部分是由新增供应能力跟进造成的能力过剩引起。有领先优势的半导体加工企业一般要20多亿美元的投资和几年的建设周期。增加能力的决策通常在高速增长期作出，一般都有几家公司同时增加设施。几年后一旦这些新能力建成，供应失衡必然导致利用水平降低和价格压力。

　　但2001年行业收缩37%是由需求下降造成的，由需求疲软、网络泡沫破灭及PC和手机达到饱和点引发。这是紧跟2000年行业增长37%，几乎达到2050亿美元最好年头之后接踵而来的。

本次下降的幅度和时间都很长。2001年的减速使半导体工业回到1995年的收入水平。20%以上的增长时代是否一去不复返？半导体工业仍然由推动价格下降和向新应用渗透的创新驱动。半导体工业仍是一个相对年轻的行业。2002年，全球半导体工业产值为1370亿美元，低于通用汽车、福特或Wal　Mart任何一家的销售额。估计2003年半导体工业继2002年下降1.5%之后增长9%。IDC预计，到2007年市场规模将达到2470亿美元，2002～2007年复合年增长率为12.5%。

半导体的前沿成果  

（a）半导体制冷

半导体制冷器的尺寸小，可以制成体积不到1cm小的制冷器；重量轻，微型制冷器往往能够小到只有几克或几十克。无机械传动部分，工作中无噪音，无液、气工作介质，因而不污染环境，制冷参数不受空间方向以及重力影响，在大的机械过载条件下，能够正常地工作;通过调节工作电流的大小，可方便调节制冷速率；通过切换电流方向，可使制冷器从制冷状态转变为制热工作状态；作用速度快，使用寿命长，且易于控制。所以半导体制冷广泛应用与各个方面

1）在高技术领域和军事领域　对红外探测器，激光器和光电倍增管等光电器件的制冷。比如，德国Micropelt公司的半导体制冷器体积非常小，只有1个平方毫米，可以和激光器一起使用TO封装。 

（2）在农业领域的应用　温室里面过高或过低的温度，都将导致秧苗坏死，尤其部分名贵植物对环境更加敏感，迫切需要将适宜的温度检测及控制系统应用于现代农业。 

（3）在医疗领域中的应用　半导体温控系统在医学上的应用更为广泛。如：用于蛋白质功能研究、基因扩增的高档PCR仪、电泳仪及一些智能精确温控的恒温仪培养箱等；用于开发具有特殊温度平台的扫描探针显微镜等。

  （b）发光二极管

LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来，世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在“863”计划的支持下，2003年6月份首次提出发展半导体照明计划。

现阶段LED缺点  1、会因温度升高而产生光强衰减。 2、LED实际是个半导体PN结，其正向导通电压虽然都在一个范围内，但各不相同，这种情况导致部分LED不能工作在正常工作点上。 3、单个LED功率低。为了获得大功率，需要多个并联使用，例如汽车尾灯。单个大功率LED价格很贵。现阶段LED价格较之于白炽灯价格要贵几倍、十几倍甚至几十倍。 　4、显色指数低。在LED照射下显示的颜色没有白炽灯真实。

（c）半导体激光器

半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。半导体激光器因其使用寿命长、激光利用效率高、热能量比YAG激光器小、体积小、性价比高、用电省等一系列优势而成为2010年热卖产品，e网激光生产的国产半导体激光器的出现，加速了以半导体激光器为主要耗材的半导体激光机取代YAG激光打标机市场份额的步伐。

（d）太阳能光伏电池

太阳能目前已经成为最受关注的绿色能源产业。美国、欧洲、日本都制定了大力促进本国太阳能产业发展的政策，我国也于2005年3月份通过了《可再生能源法》。这些措施极大地促进了太阳能电池产业的发展。据统计，从1998—2004年，国际太阳能光伏电池的市场一直保持高速增长的态势，年平均增长速度达到30%，预计到2010年，仍将保持至少25%的增长速度。 

晶体硅是目前应用最成熟，最广泛的太阳能电池材料，占光伏产业的85%以上。美国SunPower公司最近开发出利用区熔硅制作太阳能电池技术，其产业化规模光电转换效率达到20%，为目前产业化最高水平，其综合性价比超过直拉单晶硅太阳能电池（光电转换效率为15%）和多晶硅太阳能电池（光电转换效率为12%）。这项新技术将会极大地扩展区熔硅单晶的市场空间。据估计，到2010年，其总的市场规模到将达到电力电子需求规模，这是本项目新的市场机会。 

   半导体由于其独特的物理性能，构成现在数字电路的基础，而应用于各种集成电路，成为现在信息产业的载体。另外作为太阳能电池的原材料，半导体也扮演着不可替代的角色。我们不得不说在电子科技是建立在半导体技术的基础上，没有半导体就没有现代电子各式各样的电子产品。半导体本身所具有的物理特性还可能未被我们所发现。半导体由于其在电子产业不可替代的作用及巨大的发展潜力必然会促进现代电子技术的巨大发展，也必然会极大的方便我们的生活。