半导体材料是现代电子技术的核心,其起源可以追溯到19世纪。意大利物理学家伏特首次提出了"半导体"这一概念,并通过实验区分了金属、绝缘体和半导体。半导体的基本特性包括电阻率处于金属与绝缘体之间的广阔范围(10-3~109 Ω⋅cm)、电阻随温度升高而降低的负温度系数、整流效应、光电效应以及霍尔效应。
负电阻温度系数特性由法拉第在1833年研究硫化银时发现,表明半导体的电阻会随温度上升而减小。光生伏特效应则由贝克莱尔在1839年发现,光照下的半导体和电解质接触会产生电压,这为后来的太阳能电池奠定了基础。光电导效应由史密斯在1873年揭示,指光照射导致半导体电导率增加,这种效应在现代光电设备中有重要应用。整流特性最早由布劳恩在1874年观察到,半导体在这种特性下只允许电流在一个方向流动,是制造二极管的基础。
霍尔效应在1879年由霍尔发现,它使得我们可以测量半导体的载流子浓度、迁移率和电阻率等关键参数。这些特性使得半导体材料在电子器件中扮演了至关重要的角色。
半导体的早期应用主要集中在整流器和探测器,如硒整流器、氧化亚铜整流器、硒光伏电池以及红外探测器。这些应用在第一次和第二次世界大战期间得到了显著发展,特别是在雷达和通信系统中。例如,硒光伏电池用于电力供应,而硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器则在二战中被用来侦测敌方飞机和舰船。
半导体材料的分类包括元素半导体(如硅Si和锗Ge)、化合物半导体(如镓砷GaAs、硅碳化物SiC)以及宽禁带半导体(如氮化镓GaN、金刚石C)。每种材料都有其特定的应用领域,比如硅在微电子学中占据主导地位,而宽禁带半导体在高温和高压环境下表现出优越性能。
随着科技的进步,半导体材料的未来发展趋势将更加侧重于纳米尺度的器件设计、新型半导体材料的探索,以及在可再生能源、物联网、量子计算等领域的新应用。例如,二维半导体材料如石墨烯和二硫化钼等,因其独特的物理特性,有望带来电子器件性能的大幅提升。
《半导体材料》课程的内容涵盖了半导体的认识过程、早期应用、材料分类、重要材料的应用发展,以及未来的发展趋势。通过学习,学生将深入理解半导体材料的基本性质,掌握其在电子和光电子技术中的应用,为电子科学与工程领域的创新研究奠定基础。