半導(dao)體(ti)(ti)指常溫(wen)下導(dao)電性能介于導(dao)體(ti)(ti)與(yu)絕緣體(ti)(ti)之間的(de)材料。
半(ban)導體(ti)在(zai)集成電路、消費(fei)電子、通信系(xi)統、光伏發電、照(zhao)明、大功(gong)率(lv)電源轉(zhuan)換等領域都有應用(yong)(yong),如(ru)二極管就是采用(yong)(yong)半(ban)導體(ti)制作的器件。
無論從科技或是(shi)經濟(ji)發展(zhan)的(de)(de)(de)角度來看,半(ban)(ban)導(dao)體(ti)的(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)性都(dou)是(shi)非常巨大的(de)(de)(de)。大部分(fen)的(de)(de)(de)電子產品,如計(ji)算機、移動電話或是(shi)數字(zi)錄音機當中的(de)(de)(de)核心單(dan)元都(dou)和半(ban)(ban)導(dao)體(ti)有著極(ji)為密(mi)切的(de)(de)(de)關聯(lian)。
常見的半導(dao)(dao)體(ti)(ti)材(cai)料有硅(gui)(gui)、鍺、砷化鎵等(deng),硅(gui)(gui)是各(ge)種半導(dao)(dao)體(ti)(ti)材(cai)料應用中最具有影響力的一(yi)種。
物質存(cun)在的(de)(de)形式多(duo)(duo)種多(duo)(duo)樣(yang),固體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)、液體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)、氣體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)、等離(li)子體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)等等。我們通常把導電(dian)性(xing)(xing)差(cha)的(de)(de)材(cai)料(liao)(liao),如(ru)煤(mei)、人工(gong)晶體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)、琥珀、陶瓷等稱為絕(jue)緣體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)。而把導電(dian)性(xing)(xing)比較好的(de)(de)金屬(shu)如(ru)金、銀(yin)、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)。可(ke)以(yi)簡單的(de)(de)把介(jie)于導體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)和絕(jue)緣體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)之(zhi)間的(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)稱為半(ban)(ban)導體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)。與(yu)導體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)和絕(jue)緣體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)相比,半(ban)(ban)導體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)發現是最晚的(de)(de),直到20世紀30年代,當(dang)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)提純技術改進以(yi)后,半(ban)(ban)導體(ti)(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)(de)存(cun)在才(cai)真正被(bei)學術界認可(ke)。
半(ban)導體(ti)(ti)(ti)是指在常溫下導電性(xing)能介于導體(ti)(ti)(ti)與(yu)絕緣體(ti)(ti)(ti)之(zhi)間的材(cai)料。半(ban)導體(ti)(ti)(ti)是指一(yi)種導電性(xing)可控,范(fan)圍從(cong)絕緣體(ti)(ti)(ti)到導體(ti)(ti)(ti)之(zhi)間的材(cai)料。從(cong)科學技術和經濟發展(zhan)的角度來看(kan),半(ban)導體(ti)(ti)(ti)影響著人們的日常工作生活,直到20世紀30年代(dai)這一(yi)材(cai)料才被學界所(suo)認可。
半導體的發現實(shi)際上(shang)可以(yi)追溯到很久以(yi)前。
1833年,英國科學(xue)家電(dian)子學(xue)之父法(fa)拉(la)第最先發(fa)現(xian)(xian)(xian)硫化(hua)銀的(de)電(dian)阻隨著(zhu)(zhu)溫度的(de)變化(hua)情(qing)況(kuang)不同于一(yi)般(ban)金(jin)屬,一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下,金(jin)屬的(de)電(dian)阻隨溫度升高而(er)增加,但法(fa)拉(la)第發(fa)現(xian)(xian)(xian)硫化(hua)銀材(cai)料(liao)的(de)電(dian)阻是隨著(zhu)(zhu)溫度的(de)上升而(er)降(jiang)低。這是半導體現(xian)(xian)(xian)象(xiang)的(de)首次發(fa)現(xian)(xian)(xian)。
不(bu)久(jiu),1839年法國的貝克萊(lai)爾(er)發現(xian)(xian)半導體和電(dian)(dian)解(jie)質(zhi)接觸形成的結(jie),在光照下會產生一個電(dian)(dian)壓,這就是后來人們熟(shu)知的光生伏特效(xiao)應,這是被發現(xian)(xian)的半導體的第二個特性。
1873年,英國(guo)的(de)史(shi)密斯發現硒晶體(ti)材料(liao)在(zai)光照下電(dian)導增加的(de)光電(dian)導效應(ying),這是半(ban)導體(ti)的(de)第三種特性。
在(zai)1874年(nian),德國的(de)布勞恩(en)觀(guan)察到(dao)某(mou)些硫化物的(de)電導(dao)(dao)與所加(jia)電場(chang)的(de)方向有(you)關(guan),即它(ta)(ta)的(de)導(dao)(dao)電有(you)方向性(xing)(xing),在(zai)它(ta)(ta)兩端加(jia)一個正向電壓(ya),它(ta)(ta)是導(dao)(dao)通的(de);如果把電壓(ya)極性(xing)(xing)反過來,它(ta)(ta)就不導(dao)(dao)電,這就是半導(dao)(dao)體的(de)整流效應(ying)(ying),也是半導(dao)(dao)體所特有(you)的(de)第四種(zhong)特性(xing)(xing)。同年(nian),舒斯特又發(fa)現(xian)了(le)銅(tong)與氧化銅(tong)的(de)整流效應(ying)(ying)。
半(ban)導(dao)體(ti)(ti)的這四(si)個(ge)特(te)性,雖在1880年(nian)以前(qian)就先(xian)后被發現(xian)了,但(dan)半(ban)導(dao)體(ti)(ti)這個(ge)名詞大概到1911年(nian)才(cai)(cai)被考尼(ni)白(bai)格和維斯首次使用。而(er)總結出半(ban)導(dao)體(ti)(ti)的這四(si)個(ge)特(te)性一(yi)直到1947年(nian)12月才(cai)(cai)由貝爾實(shi)驗室完成(cheng)。
2019年(nian)10月,一(yi)國際科(ke)研團隊稱(cheng)與傳(chuan)統霍爾測量中僅獲得3個(ge)參(can)(can)數(shu)相(xiang)比(bi),新技術在每個(ge)測試光強(qiang)度(du)下(xia)最多可獲得7個(ge)參(can)(can)數(shu):包括電子(zi)和(he)空(kong)穴(xue)的遷移率;在光下(xia)的載荷子(zi)密度(du)、重組壽命、電子(zi)、空(kong)穴(xue)和(he)雙極性類型(xing)的擴散長度(du)。
(1)元(yuan)素半(ban)導(dao)體(ti)(ti)。元(yuan)素半(ban)導(dao)體(ti)(ti)是指(zhi)單一元(yuan)素構成(cheng)的(de)(de)(de)半(ban)導(dao)體(ti)(ti),其中對硅(gui)(gui)、硒(xi)的(de)(de)(de)研究比較早。它是由(you)相(xiang)同元(yuan)素組成(cheng)的(de)(de)(de)具有(you)半(ban)導(dao)體(ti)(ti)特性的(de)(de)(de)固體(ti)(ti)材料,容(rong)易(yi)受到微量(liang)雜質和外界條件(jian)的(de)(de)(de)影響而發生變化(hua)(hua)。目前(qian),只有(you)硅(gui)(gui)、鍺性能好(hao),運用的(de)(de)(de)比較廣,硒(xi)在電(dian)子照明和光電(dian)領(ling)域中應用。硅(gui)(gui)在半(ban)導(dao)體(ti)(ti)工業(ye)(ye)中運用的(de)(de)(de)多,這主要(yao)受到二(er)氧化(hua)(hua)硅(gui)(gui)的(de)(de)(de)影響,能夠在器件(jian)制(zhi)作上形成(cheng)掩膜(mo),能夠提高半(ban)導(dao)體(ti)(ti)器件(jian)的(de)(de)(de)穩定性,利于(yu)自動化(hua)(hua)工業(ye)(ye)生產(chan)。
(2)無(wu)(wu)機合(he)(he)成(cheng)物(wu)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)。無(wu)(wu)機合(he)(he)成(cheng)物(wu)主(zhu)要(yao)是通(tong)過單一(yi)元(yuan)素構(gou)(gou)成(cheng)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)材(cai)料(liao),當然(ran)也有(you)多種元(yuan)素構(gou)(gou)成(cheng)的(de)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)材(cai)料(liao),主(zhu)要(yao)的(de)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)性質有(you)I族(zu)(zu)與V、VI、VII族(zu)(zu);II族(zu)(zu)與IV、V、VI、VII族(zu)(zu);III族(zu)(zu)與V、VI族(zu)(zu);IV族(zu)(zu)與IV、VI族(zu)(zu);V族(zu)(zu)與VI族(zu)(zu);VI族(zu)(zu)與VI族(zu)(zu)的(de)結合(he)(he)化合(he)(he)物(wu),但受到元(yuan)素的(de)特(te)性和(he)制(zhi)作(zuo)方式的(de)影響(xiang),不是所有(you)的(de)化合(he)(he)物(wu)都(dou)能夠符合(he)(he)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)材(cai)料(liao)的(de)要(yao)求(qiu)。這一(yi)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)主(zhu)要(yao)運用到高速器(qi)件中(zhong),InP制(zhi)造的(de)晶體(ti)管的(de)速度(du)比其他材(cai)料(liao)都(dou)高,主(zhu)要(yao)運用到光(guang)電(dian)集成(cheng)電(dian)路、抗核輻射器(qi)件中(zhong)。對于(yu)導(dao)(dao)電(dian)率高的(de)材(cai)料(liao),主(zhu)要(yao)用于(yu)LED等方面。
(3)有(you)機合(he)(he)成(cheng)(cheng)物半(ban)導體。有(you)機化(hua)(hua)合(he)(he)物是指含(han)分子中含(han)有(you)碳(tan)鍵(jian)的化(hua)(hua)合(he)(he)物,把有(you)機化(hua)(hua)合(he)(he)物和碳(tan)鍵(jian)垂直,疊(die)加(jia)的方(fang)式(shi)能夠形成(cheng)(cheng)導帶,通過化(hua)(hua)學(xue)的添(tian)加(jia),能夠讓(rang)其(qi)進入(ru)到能帶,這樣可以發生(sheng)電導率,從(cong)而形成(cheng)(cheng)有(you)機化(hua)(hua)合(he)(he)物半(ban)導體。這一半(ban)導體和以往(wang)的半(ban)導體相(xiang)比,具(ju)有(you)成(cheng)(cheng)本低、溶解(jie)性好、材料輕加(jia)工容易的特點。可以通過控(kong)制分子的方(fang)式(shi)來控(kong)制導電性能,應(ying)用的范圍比較(jiao)廣,主(zhu)要用于(yu)有(you)機薄膜(mo)、有(you)機照明等(deng)方(fang)面(mian)。
(4)非晶(jing)態(tai)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)。它又被叫做無定形(xing)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)或玻(bo)璃半(ban)(ban)導(dao)體(ti),屬于半(ban)(ban)導(dao)電(dian)(dian)性(xing)的(de)一(yi)類材(cai)料(liao)。非晶(jing)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)和其他非晶(jing)材(cai)料(liao)一(yi)樣,都(dou)是短程有(you)(you)序、長程無序結構。它主(zhu)要(yao)是通過改(gai)變(bian)原(yuan)子(zi)(zi)相對位置,改(gai)變(bian)原(yuan)有(you)(you)的(de)周期性(xing)排列(lie),形(xing)成非晶(jing)硅。晶(jing)態(tai)和非晶(jing)態(tai)主(zhu)要(yao)區(qu)別于原(yuan)子(zi)(zi)排列(lie)是否具有(you)(you)長程序。非晶(jing)態(tai)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)的(de)性(xing)能控(kong)制難,隨著技術的(de)發明,非晶(jing)態(tai)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)開始使用(yong)。這(zhe)一(yi)制作工序簡單,主(zhu)要(yao)用(yong)于工程類,在光吸收方面有(you)(you)很(hen)好的(de)效(xiao)果,主(zhu)要(yao)運用(yong)到太陽能電(dian)(dian)池(chi)和液(ye)晶(jing)顯示(shi)屏中。
(5)本(ben)征半(ban)導(dao)(dao)體(ti):不(bu)含(han)雜質且無(wu)晶(jing)格(ge)缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)半(ban)導(dao)(dao)體(ti)稱為本(ben)征半(ban)導(dao)(dao)體(ti)。在(zai)極低溫(wen)度(du)下(xia),半(ban)導(dao)(dao)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)價帶(dai)(dai)是(shi)滿帶(dai)(dai),受到(dao)熱激發后(hou),價帶(dai)(dai)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)部(bu)分電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)會(hui)越過禁帶(dai)(dai)進入能(neng)量(liang)(liang)較高的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)帶(dai)(dai),空(kong)(kong)帶(dai)(dai)中(zhong)存在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)后(hou)成(cheng)為導(dao)(dao)帶(dai)(dai),價帶(dai)(dai)中(zhong)缺(que)(que)少一(yi)(yi)個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)后(hou)形(xing)成(cheng)一(yi)(yi)個(ge)帶(dai)(dai)正電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)位,稱為空(kong)(kong)穴(xue)。空(kong)(kong)穴(xue)導(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)并(bing)不(bu)是(shi)實(shi)際運動,而(er)是(shi)一(yi)(yi)種(zhong)等效(xiao)。電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)導(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)時等電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)穴(xue)會(hui)沿(yan)其(qi)反方(fang)向(xiang)運動。它們在(zai)外電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)場作用(yong)下(xia)產(chan)生(sheng)定向(xiang)運動而(er)形(xing)成(cheng)宏觀電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流,分別稱為電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)導(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)和(he)空(kong)(kong)穴(xue)導(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。這(zhe)種(zhong)由(you)于電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)-空(kong)(kong)穴(xue)對的(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)生(sheng)而(er)形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)混合型導(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)稱為本(ben)征導(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。導(dao)(dao)帶(dai)(dai)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)會(hui)落入空(kong)(kong)穴(xue),電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)-空(kong)(kong)穴(xue)對消失,稱為復合。復合時釋(shi)放(fang)出的(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)變(bian)成(cheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)磁輻射(發光)或晶(jing)格(ge)的(de)(de)(de)(de)(de)熱振(zhen)動能(neng)量(liang)(liang)(發熱)。在(zai)一(yi)(yi)定溫(wen)度(du)下(xia),電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)-空(kong)(kong)穴(xue)對的(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)生(sheng)和(he)復合同時存在(zai)并(bing)達到(dao)動態平(ping)衡,此時半(ban)導(dao)(dao)體(ti)具有一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)載流子(zi)(zi)(zi)(zi)密度(du),從而(er)具有一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻率。溫(wen)度(du)升(sheng)高時,將產(chan)生(sheng)更多的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)-空(kong)(kong)穴(xue)對,載流子(zi)(zi)(zi)(zi)密度(du)增加(jia),電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻率減小。無(wu)晶(jing)格(ge)缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)(de)(de)(de)純凈半(ban)導(dao)(dao)體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻率較大,實(shi)際應(ying)用(yong)不(bu)多。
半導(dao)體在集成電路、消(xiao)費(fei)電子、通信(xin)系統(tong)、光(guang)伏(fu)發電、照(zhao)明應用(yong)、大功率電源轉(zhuan)換等領域應用(yong)。
半(ban)導體(ti)(ti)材料(liao)光生伏特效應是太陽能電(dian)池(chi)(chi)(chi)運行(xing)的(de)基本原理。現階段半(ban)導體(ti)(ti)材料(liao)的(de)光伏應用已經成為一大熱(re)門,是目前世界上增長最快、發展最好(hao)的(de)清(qing)潔能源(yuan)市場(chang)。太陽能電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)主要制作材料(liao)是半(ban)導體(ti)(ti)材料(liao),判斷太陽能電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)優劣(lie)主要的(de)標準是光電(dian)轉化率,光電(dian)轉化率越高(gao),說明太陽能電(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)工(gong)作效率越高(gao)。根據應用的(de)半(ban)導體(ti)(ti)材料(liao)的(de)不同,太陽能電(dian)池(chi)(chi)(chi)分為晶體(ti)(ti)硅太陽能電(dian)池(chi)(chi)(chi)、薄膜電(dian)池(chi)(chi)(chi)以及III-V族化合物(wu)電(dian)池(chi)(chi)(chi)。
LED是建立在半導體(ti)晶體(ti)管(guan)上的(de)(de)(de)半導體(ti)發光(guang)(guang)二極管(guan),采用(yong)LED技術半導體(ti)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)體(ti)積(ji)小,可以實現平面封(feng)裝,工(gong)作時(shi)發熱量(liang)低、節能(neng)高效,產(chan)品(pin)壽命長、反(fan)應(ying)速度快,而且綠色環保無(wu)污(wu)染,還能(neng)開發成(cheng)輕薄短小的(de)(de)(de)產(chan)品(pin),一經(jing)問世,就(jiu)迅速普及,成(cheng)為新一代的(de)(de)(de)優質(zhi)照(zhao)明(ming)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan),目前(qian)已(yi)經(jing)廣泛的(de)(de)(de)運(yun)用(yong)在我們的(de)(de)(de)生活中。如(ru)交通指示(shi)燈、電子產(chan)品(pin)的(de)(de)(de)背光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)、城市(shi)夜景美(mei)化(hua)光(guang)(guang)源(yuan)(yuan)、室內照(zhao)明(ming)等(deng)各(ge)個領(ling)域(yu),都(dou)有應(ying)用(yong)。
交(jiao)流(liu)電(dian)(dian)(dian)和直流(liu)電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)相互轉換(huan)(huan)(huan)對(dui)于(yu)電(dian)(dian)(dian)器(qi)的(de)(de)(de)使用(yong)(yong)十(shi)分重(zhong)要,是對(dui)電(dian)(dian)(dian)器(qi)的(de)(de)(de)必要保護。這(zhe)就要用(yong)(yong)到等電(dian)(dian)(dian)源(yuan)轉換(huan)(huan)(huan)裝(zhuang)置(zhi)。碳化(hua)硅擊穿電(dian)(dian)(dian)壓(ya)強度高(gao)(gao),禁(jin)帶寬(kuan)度寬(kuan),熱導(dao)性高(gao)(gao),因(yin)此SiC半導(dao)體(ti)器(qi)件十(shi)分適(shi)合(he)應(ying)用(yong)(yong)在功(gong)率(lv)密度和開關頻(pin)率(lv)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)場合(he),電(dian)(dian)(dian)源(yuan)裝(zhuang)換(huan)(huan)(huan)裝(zhuang)置(zhi)就是其(qi)中(zhong)之一。碳化(hua)硅元件在高(gao)(gao)溫、高(gao)(gao)壓(ya)、高(gao)(gao)頻(pin)的(de)(de)(de)又一表現(xian)(xian)使得現(xian)(xian)在被(bei)廣泛(fan)使用(yong)(yong)到深井鉆探(tan),發電(dian)(dian)(dian)裝(zhuang)置(zhi)中(zhong)的(de)(de)(de)逆變器(qi),電(dian)(dian)(dian)氣(qi)混動(dong)(dong)汽車的(de)(de)(de)能量(liang)轉化(hua)器(qi),輕軌列(lie)車牽引動(dong)(dong)力轉換(huan)(huan)(huan)等領域。由于(yu)SiC本身的(de)(de)(de)優勢以及現(xian)(xian)階段行業對(dui)于(yu)輕量(liang)化(hua)、高(gao)(gao)轉換(huan)(huan)(huan)效率(lv)的(de)(de)(de)半導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)需要,SiC將會取代Si,成為(wei)應(ying)用(yong)(yong)最(zui)廣泛(fan)的(de)(de)(de)半導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)。
半(ban)導(dao)體制(zhi)冷(leng)(leng)技術是(shi)目前(qian)的制(zhi)冷(leng)(leng)技術中(zhong)應(ying)用(yong)比(bi)較廣泛的。農作(zuo)物在(zai)溫室大棚中(zhong)生長(chang)中(zhong),半(ban)導(dao)體制(zhi)冷(leng)(leng)技術可以對(dui)環(huan)境(jing)(jing)溫度(du)有(you)效控制(zhi),特別是(shi)一些對(dui)環(huan)境(jing)(jing)具(ju)有(you)很(hen)高要求的植(zhi)物,采用(yong)半(ban)導(dao)體制(zhi)冷(leng)(leng)技術塑造生長(chang)環(huan)境(jing)(jing),可以促進植(zhi)物的生長(chang)。半(ban)導(dao)體制(zhi)冷(leng)(leng)技術具(ju)有(you)可逆性,可以用(yong)于制(zhi)冷(leng)(leng),也可以用(yong)于制(zhi)熱,對(dui)環(huan)境(jing)(jing)溫度(du)的調節具(ju)有(you)良好的效果(guo)。
半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)制冷(leng)(leng)(leng)技術的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)原理(li)(li)(li)是建立在(zai)(zai)帕(pa)(pa)爾(er)(er)帖原理(li)(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)基礎(chu)上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)。1834年,法國(guo)科(ke)學家帕(pa)(pa)爾(er)(er)帖發現(xian)了半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)制冷(leng)(leng)(leng)作(zuo)用(yong)(yong)。帕(pa)(pa)爾(er)(er)貼(tie)原理(li)(li)(li)又被稱為是”帕(pa)(pa)爾(er)(er)貼(tie)效益(yi)“,就(jiu)(jiu)是將兩種(zhong)不(bu)同的(de)(de)(de)(de)(de)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)充分運(yun)(yun)用(yong)(yong)起來,使用(yong)(yong)A和(he)(he)B組(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)路,通入(ru)直(zhi)流(liu)電(dian),在(zai)(zai)電(dian)路的(de)(de)(de)(de)(de)接(jie)頭處可以產生焦耳熱,同時還會(hui)釋放(fang)出(chu)(chu)一(yi)些(xie)其它的(de)(de)(de)(de)(de)熱量(liang)(liang),此時就(jiu)(jiu)會(hui)發現(xian),另(ling)一(yi)個接(jie)頭處不(bu)是在(zai)(zai)釋放(fang)熱量(liang)(liang),而(er)是在(zai)(zai)吸收熱量(liang)(liang)。這(zhe)種(zhong)現(xian)象是可逆的(de)(de)(de)(de)(de),只要(yao)(yao)對(dui)(dui)電(dian)流(liu)的(de)(de)(de)(de)(de)方向(xiang)進行改變,放(fang)熱和(he)(he)吸熱的(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)(yun)行就(jiu)(jiu)可以進行調節(jie),電(dian)流(liu)的(de)(de)(de)(de)(de)強度與(yu)(yu)吸收的(de)(de)(de)(de)(de)熱量(liang)(liang)和(he)(he)放(fang)出(chu)(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)熱量(liang)(liang)之間存在(zai)(zai)正比例(li)關(guan)系,與(yu)(yu)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)自身所(suo)(suo)具備(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)性質也(ye)存在(zai)(zai)關(guan)系。由于(yu)(yu)金屬材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)帕(pa)(pa)爾(er)(er)帖效應是相對(dui)(dui)較弱(ruo)的(de)(de)(de)(de)(de),而(er)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)材料(liao)(liao)基于(yu)(yu)帕(pa)(pa)爾(er)(er)帖原理(li)(li)(li)運(yun)(yun)行,所(suo)(suo)產生的(de)(de)(de)(de)(de)效應也(ye)會(hui)更(geng)強一(yi)些(xie),所(suo)(suo)以,在(zai)(zai)制冷(leng)(leng)(leng)的(de)(de)(de)(de)(de)材料(liao)(liao)中(zhong),半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)就(jiu)(jiu)成(cheng)為了主要(yao)(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)原料(liao)(liao)。但是,對(dui)(dui)于(yu)(yu)這(zhe)種(zhong)材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)使用(yong)(yong)中(zhong),需要(yao)(yao)注意多數的(de)(de)(de)(de)(de)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)無量(liang)(liang)綱值(zhi)接(jie)近1,比固(gu)體(ti)(ti)(ti)理(li)(li)(li)論模型(xing)要(yao)(yao)低一(yi)些(xie),在(zai)(zai)實際數據(ju)的(de)(de)(de)(de)(de)計算上(shang)所(suo)(suo)獲得(de)的(de)(de)(de)(de)(de)結果是4,所(suo)(suo)以,對(dui)(dui)于(yu)(yu)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)中(zhong),要(yao)(yao)使得(de)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)制冷(leng)(leng)(leng)技術合理(li)(li)(li)運(yun)(yun)用(yong)(yong),就(jiu)(jiu)要(yao)(yao)深入(ru)研究。
半導體制冷技(ji)術已經廣泛應用在(zai)醫藥領域(yu)中(zhong)(zhong),工業(ye)領域(yu)中(zhong)(zhong),即便是日常生(sheng)活(huo)中(zhong)(zhong)也得以應用,所以,該技(ji)術是有非常重要的(de)發展前景(jing)的(de)。
例如(ru),將導(dao)體(ti)(ti)(ti)制冷技(ji)術(shu)用于現代的(de)各種(zhong)制冷設備中,諸如(ru)冰箱、空調等等,都可(ke)以(yi)配(pei)置電子冷卻(que)器。半(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)冰箱就是使(shi)用了(le)半(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)制冷技(ji)術(shu)。在(zai)具體(ti)(ti)(ti)的(de)應用中,可(ke)以(yi)根據不同(tong)客戶的(de)需要(yao)使(shi)用,以(yi)更好地(di)滿足客戶的(de)要(yao)求(qiu)。
不同(tong)數量的(de)(de)(de)(de)半(ban)導(dao)體(ti)制(zhi)冷芯片,在連接的(de)(de)(de)(de)過(guo)程中(zhong)可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)根據需要采(cai)用(yong)并聯的(de)(de)(de)(de)方式或串聯的(de)(de)(de)(de)方式,放置在合適的(de)(de)(de)(de)位置就(jiu)(jiu)可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)發(fa)揮作用(yong)。二十世紀50年代,前蘇聯開發(fa)了一(yi)種小(xiao)型模型冰箱(xiang)(xiang)(xiang)(xiang),只有10升的(de)(de)(de)(de)容(rong)量,冰箱(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)體(ti)積非常小(xiao),使用(yong)便利。日本研制(zhi)出一(yi)種冰箱(xiang)(xiang)(xiang)(xiang),是(shi)專門用(yong)于(yu)儲存紅酒的(de)(de)(de)(de)。對(dui)于(yu)溫度要嚴(yan)格(ge)控(kong)制(zhi),應用(yong)半(ban)導(dao)體(ti)制(zhi)冷技術就(jiu)(jiu)可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)滿(man)足冰箱(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)制(zhi)冷要求(qiu)。隨(sui)著社會的(de)(de)(de)(de)不斷發(fa)展,人們(men)在追求(qiu)生(sheng)活質量的(de)(de)(de)(de)同(tong)時,對(dui)于(yu)制(zhi)冷設備的(de)(de)(de)(de)要求(qiu)也越(yue)來(lai)越(yue)高。當(dang)人們(men)使用(yong)半(ban)導(dao)體(ti)冰箱(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)時候,就(jiu)(jiu)會發(fa)現這種冰箱(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)比傳統冰箱(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)耗電量更低一(yi)些,甚(shen)至可(ke)(ke)(ke)以(yi)(yi)達到(dao)20%,節(jie)能效(xiao)果良好。
使(shi)用(yong)半(ban)(ban)(ban)導體(ti)空(kong)調,與(yu)日常生活中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)(de)空(kong)調不(bu)同,而(er)是(shi)應用(yong)于特殊(shu)場所(suo)中(zhong),諸(zhu)如機艙、潛艇(ting)等等。采(cai)用(yong)相(xiang)對穩定的(de)(de)制冷技(ji)(ji)術,不(bu)僅可以保證快速制冷,而(er)且可能(neng)夠滿足半(ban)(ban)(ban)導體(ti)制冷技(ji)(ji)術的(de)(de)各項要求。一些美國公司(si)發(fa)現半(ban)(ban)(ban)導體(ti)制冷技(ji)(ji)術還有一個重(zhong)要的(de)(de)功能(neng),就(jiu)(jiu)是(shi)在(zai)有源(yuan)電(dian)池中(zhong)合理應用(yong),就(jiu)(jiu)可以確保電(dian)源(yuan)持(chi)續供應,可以超過8小(xiao)時。在(zai)汽車制冷設備中(zhong),半(ban)(ban)(ban)導體(ti)制冷技(ji)(ji)術也得(de)到應用(yong)。包括農業、天文學以及醫學領(ling)域,半(ban)(ban)(ban)導體(ti)制冷技(ji)(ji)術也發(fa)揮著重(zhong)要的(de)(de)作用(yong)。
(一)半導體制冷技術(shu)的難點
半導體制(zhi)(zhi)(zhi)冷的(de)(de)(de)(de)過程中(zhong)會(hui)(hui)涉(she)及到很多的(de)(de)(de)(de)參數,而且條件是(shi)復雜多變的(de)(de)(de)(de)。任何一個參數對(dui)(dui)冷卻(que)效(xiao)果都(dou)會(hui)(hui)產生(sheng)(sheng)影響。實驗室研(yan)究中(zhong),由于難(nan)(nan)以滿(man)足規定(ding)的(de)(de)(de)(de)噪聲,就(jiu)需要對(dui)(dui)實驗室環境(jing)進(jin)行研(yan)究,但是(shi)一些影響因(yin)素的(de)(de)(de)(de)探討是(shi)存在難(nan)(nan)度的(de)(de)(de)(de)。半導體制(zhi)(zhi)(zhi)冷技(ji)(ji)術(shu)是(shi)基于粒子(zi)效(xiao)應的(de)(de)(de)(de)制(zhi)(zhi)(zhi)冷技(ji)(ji)術(shu),具有可逆性。所(suo)以,在制(zhi)(zhi)(zhi)冷技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)應用過程中(zhong),冷熱端就(jiu)會(hui)(hui)產生(sheng)(sheng)很大的(de)(de)(de)(de)溫差,對(dui)(dui)制(zhi)(zhi)(zhi)冷效(xiao)果必然(ran)會(hui)(hui)產生(sheng)(sheng)影響。
(二(er))半導體制冷技術所存在的問題(ti)
其(qi)一,半導(dao)(dao)體材料的(de)(de)(de)(de)優質系數不能(neng)夠(gou)根據需(xu)要(yao)得到進一步的(de)(de)(de)(de)提升(sheng)(sheng),這就必然(ran)會對(dui)(dui)半導(dao)(dao)體制(zhi)冷(leng)(leng)(leng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)造成影(ying)響。其(qi)二,對(dui)(dui)冷(leng)(leng)(leng)端散(san)(san)熱(re)系統和熱(re)端散(san)(san)熱(re)系統進行優化設計,但是在技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)上沒有(you)(you)升(sheng)(sheng)級,依然(ran)處于理論階段,沒有(you)(you)在應(ying)用(yong)(yong)中(zhong)更(geng)好(hao)地發揮作(zuo)用(yong)(yong),這就導(dao)(dao)致半導(dao)(dao)體制(zhi)冷(leng)(leng)(leng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)不能(neng)夠(gou)根據應(ying)用(yong)(yong)需(xu)要(yao)予以(yi)提升(sheng)(sheng)。其(qi)三,半導(dao)(dao)體制(zhi)冷(leng)(leng)(leng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)對(dui)(dui)于其(qi)他領域(yu)以(yi)及相關領域(yu)的(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)存(cun)在局(ju)限性,所(suo)以(yi),半導(dao)(dao)體制(zhi)冷(leng)(leng)(leng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)使用(yong)(yong)很(hen)少(shao),對(dui)(dui)于半導(dao)(dao)體制(zhi)冷(leng)(leng)(leng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)研究沒有(you)(you)從應(ying)用(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)角度(du)出發,就難(nan)以(yi)在技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)上擴展(zhan)。其(qi)四,市場經(jing)濟環境中(zhong),科學技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)發展(zhan),半導(dao)(dao)體制(zhi)冷(leng)(leng)(leng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)要(yao)獲得發展(zhan),需(xu)要(yao)考慮多方面的(de)(de)(de)(de)問題。重視半導(dao)(dao)體制(zhi)冷(leng)(leng)(leng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)(yong),還要(yao)考慮各種影(ying)響因素,使得該技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)更(geng)好(hao)地發揮作(zuo)用(yong)(yong)。
以GaN(氮(dan)化鎵(jia))為(wei)代表的(de)第(di)三代半導(dao)體(ti)材料及(ji)器件的(de)開發(fa)是新(xin)(xin)興半導(dao)體(ti)產(chan)業的(de)核心和基(ji)礎,其研究開發(fa)呈現出日(ri)新(xin)(xin)月異的(de)發(fa)展勢(shi)態(tai)。GaN基(ji)光電(dian)(dian)器件中,藍(lan)色(se)發(fa)光二極管LED率先實現商品化生產(chan)成功開發(fa)藍(lan)光LED和LD之后,科(ke)研方(fang)向轉(zhuan)移到GaN紫外光探測(ce)器上GaN材料在微波功率方(fang)面也(ye)有(you)相當大的(de)應用市場。氮(dan)化鎵(jia)半導(dao)體(ti)開關(guan)被譽(yu)為(wei)半導(dao)體(ti)芯(xin)片設計上一個(ge)新(xin)(xin)的(de)里程碑。美(mei)國佛(fo)羅里達大學(xue)的(de)科(ke)學(xue)家(jia)已經開發(fa)出一種可用于制造(zao)新(xin)(xin)型電(dian)(dian)子(zi)開關(guan)的(de)重(zhong)要器件,這(zhe)種電(dian)(dian)子(zi)開關(guan)可以提(ti)供平(ping)穩(wen)、無間斷電(dian)(dian)源(yuan)。
新型半導(dao)(dao)體(ti)材(cai)(cai)料(liao)在(zai)(zai)工業(ye)方(fang)(fang)(fang)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)(yong)越來(lai)越多(duo)。新型半導(dao)(dao)體(ti)材(cai)(cai)料(liao)表現(xian)為其(qi)結構穩定,擁有卓越的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)學特性(xing),而且(qie)成本(ben)低廉,可(ke)被用(yong)(yong)于制造現(xian)代(dai)(dai)電(dian)(dian)(dian)子(zi)設(she)備中廣泛使用(yong)(yong),我(wo)(wo)(wo)國(guo)與其(qi)他國(guo)家(jia)相比在(zai)(zai)這(zhe)(zhe)方(fang)(fang)(fang)面(mian)(mian)還有著(zhu)很(hen)大(da)一(yi)(yi)部分(fen)的(de)(de)(de)(de)(de)差距(ju),通(tong)常會(hui)表現(xian)在(zai)(zai)對一(yi)(yi)些基本(ben)儀器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)制作和加(jia)工上,近(jin)幾年來(lai),國(guo)家(jia)很(hen)多(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)部門(men)已(yi)經(jing)針對我(wo)(wo)(wo)國(guo)相對于其(qi)他國(guo)家(jia)存在(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)(de)弱(ruo)勢,這(zhe)(zhe)一(yi)(yi)方(fang)(fang)(fang)面(mian)(mian)統一(yi)(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)組織了各(ge)個(ge)方(fang)(fang)(fang)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)群體(ti),對其(qi)進行有效的(de)(de)(de)(de)(de)領(ling)導(dao)(dao),然(ran)后(hou)共同努力去研(yan)(yan)制更加(jia)高(gao)(gao)水平(ping)的(de)(de)(de)(de)(de)半導(dao)(dao)體(ti)材(cai)(cai)料(liao)。這(zhe)(zhe)樣(yang)才能(neng)夠在(zai)(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度上適應(ying)(ying)我(wo)(wo)(wo)國(guo)工業(ye)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)進步(bu)和發(fa)(fa)展,為我(wo)(wo)(wo)國(guo)社會(hui)進步(bu)提供(gong)更強(qiang)(qiang)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)動力。首(shou)先需要(yao)進一(yi)(yi)步(bu)對超(chao)晶(jing)格量子(zi)阱材(cai)(cai)料(liao)進行研(yan)(yan)發(fa)(fa),目前我(wo)(wo)(wo)國(guo)半導(dao)(dao)體(ti)材(cai)(cai)料(liao)在(zai)(zai)這(zhe)(zhe)方(fang)(fang)(fang)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展背景(jing)來(lai)看(kan),應(ying)(ying)該(gai)在(zai)(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度上去提高(gao)(gao)超(chao)高(gao)(gao)亮(liang)度,紅綠藍(lan)光(guang)材(cai)(cai)料(liao)以(yi)(yi)及光(guang)通(tong)信(xin)材(cai)(cai)料(liao),在(zai)(zai)未來(lai)的(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)展的(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)研(yan)(yan)究方(fang)(fang)(fang)向上,同時(shi)要(yao)根(gen)據市(shi)場上,更新一(yi)(yi)代(dai)(dai)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)器(qi)件以(yi)(yi)及電(dian)(dian)(dian)路等要(yao)求(qiu)進行強(qiang)(qiang)化(hua)(hua),將這(zhe)(zhe)些光(guang)電(dian)(dian)(dian)子(zi)結構的(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao),在(zai)(zai)未來(lai)生產過程(cheng)中的(de)(de)(de)(de)(de)需求(qiu)進行仔細的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)析和探討(tao),然(ran)后(hou)去滿足未來(lai)世界半導(dao)(dao)體(ti)發(fa)(fa)展的(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)(fang)向,我(wo)(wo)(wo)們需要(yao)選擇更加(jia)優(you)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)布點,然(ran)后(hou)做好相關(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)開發(fa)(fa)和研(yan)(yan)究工作,這(zhe)(zhe)樣(yang)將各(ge)種研(yan)(yan)發(fa)(fa)機(ji)構與企業(ye)之間建(jian)立更好的(de)(de)(de)(de)(de)溝通(tong)機(ji)制就可(ke)以(yi)(yi)在(zai)(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度上實現(xian)高(gao)(gao)溫半導(dao)(dao)體(ti)材(cai)(cai)料(liao),更深一(yi)(yi)步(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)開發(fa)(fa)和利用(yong)(yong)。