可见光响应型窄带隙半导体光催化材料的研究及应用进展

可见光响应型窄带隙半导体光催化材料的研究及应用进展

张　彤,张悦炜,张世著,陈冠钦,洪樟连

(浙江大学材料科学与工程学系,杭州310027)

摘要 近年来,窄带隙半导体材料因具有吸收太阳光可见波段能量、可见光催化降解有机物及可见光解水制氢的优异特性而成为新型半导体材料的研发热点。综述了以TiO 2为代表的传统半导体材料掺杂体系以及全新组成材料体系等两大类具有窄带隙半导体特性的材料种类、光催化性能的影响因素、材料制备工艺以及应用前景,并在此基础上展望了研究与发展方向。

关键词 窄带隙半导体　可见光催化　可见光解水　带隙　制备工艺

R esearch and Applications of Visible Light R esponsive N arrow B and

G ap Semiconductor Photocatalytic Materials

ZHAN G Tong ,ZHAN G Yuewei ,ZHAN G Shizhu ,C H EN Guanqin ,HON G Zhanglian

(Department of Materials Science and Engineering ,Zhejiang University ,Hangzhou 310027)

Abstract In recent years ,narrow band gap semiconductors have attracted extensive attention and become the research focus of the novel semiconductor materials because they are capable of absorbing the visible light ,degrading the organic pollutants and producing clean energy by splitting the water into hydrogen and oxygen under visible light irradiation.In this paper the material classification ,factors controlling the photocatalytic performance ,material syn 2thesis technique and f uture application of two kinds of materials with narrow band gap characters ,the modified titania and new narrow band gap semiconductor are summarized.Finally ,the development trend of their research and applica 2tion is also discussed.

K ey w ords narrow band gap semiconductor ,visible 2light catalysis ,water spiltting ,band gap ,synthesis me 2thod

　张彤:女,硕士研究生　洪樟连:通讯联系人,男,1968年生,副教授　Tel :0571287951234　E 2mail :hong_zhanglian @https://www.sodocs.net/doc/b811418027.html,

0　引言

人类社会与经济可持续发展日益面临能源短缺和环境

恶化两大问题,正处在工业化和城镇化加速发展阶段的中国,对有效利用太阳光能量的清洁能源及环境保护技术的研发需求尤为紧迫。理论上,从自然界廉价获取和持续利用太阳光能量并低成本制取氢能源是解决上述问题的一个理想途径,发展相关技术与新材料具有广阔的前景。

自1972年日本科学家Fujishima 等[1]发现TiO 2单晶电极可以实现光催化分解水,以及随后发现纳米TiO 2具有光催化降解有机物的效应以来,以TiO 2为代表的半导体光催化材料具有利用太阳光的紫外波段能量进行光催化降解有机物,以及光解水制氢的独特优势,成为材料领域的研究热点。但是,本征TiO 2(锐钛矿型带隙为3.2eV )只能吸收波长λ<380nm 的紫外光,无法充分利用占太阳光谱约43%的可见光波段(400～750nm )能量。

为解决上述问题,各国科学家通过各种方法和手段进行了大量有关能吸收太阳光能量的可见光响应型窄带隙半导体材料的研究,并在以下两方面取得了显著进展:一是通过对以TiO 2为代表的传统半导体材料进行掺杂和改性,将其

带隙移至可见光波段;二是开发全新组成的窄带隙半导体材料。本文就以上两方面的研究进展进行综述。

1　窄带隙半导体的光催化反应机理

半导体材料的能带结构一般由填充电子、能量较低的价带和全空、能量较高的导带构成,价带和导带之间存在禁带。窄带隙半导体的禁带宽度一般小于3.0eV ,能够吸收可见波

段的太阳光能量。当能量大于或等于禁带宽度的光(h

υ≥E g )照射时,半导体吸收光子能量并产生电子2空穴对;随后,光生电子和空穴向吸附了有机或无机物种的半导体颗粒表面迁移,与氧及羟基结合产生活性自由基,并诱发光催化降解的反应。

光生载流子产生的几率及迁移速率取决于导带和价带边的位置及吸附物种的氧化还原电位。光催化氧化2还原反应发生的热力学条件是:受体电势要比半导体导带电势低,供体电势要比半导体价带电势高,这样光生电子或光生空穴才能供给基态吸附分子。而且,与光生载流子向吸附物种迁移过程竞争的是电子和空穴的复合过程,这个过程一般都是在半导体颗粒内部和表面进行的,属放热过程。窄带隙半导体与传统TiO 2光催化材料的光催化反应机制类似,区别是

窄带隙半导体可以吸收波长较长的可见光并进行光催化反应。

2　新型窄带隙半导体材料

2.1　基于传统宽带隙半导体材料掺杂的可见光响应

材料

掺杂金属离子是一种常用的使传统半导体材料具有可见光响应活性的技术途径,通过掺杂在禁带中形成受主或施主能级,使其带隙变窄,具有可见光响应能力。目前这类研究具有代表性的是TiO2[2,3]、Sr TiO3[4,5]和ZnS[6,7]等体系。例如,在TiO2和Sr TiO3中掺杂Cr,在TiO2和Sr TiO3中掺杂Sb、Ta或Cr[8]。对掺杂Cu或Ni的ZnS[9]和掺杂Pb或卤素的ZnS[10]的研究发现,它们在没有Pt的情况下均显示出比较高的催化活性。

此外,非金属掺杂TiO2是近年兴起的一个研究热点。在TiO2的锐钛矿、板钛矿、金红石3种本征结构中,锐钛矿结构性能最好,研究也最多,但其带隙为3.2eV,仅对波长小于387.5nm的紫外光响应。掺杂非金属离子可以降低它的带隙,实现可见光响应。近年来的大量研究表明,非金属阴离子掺杂可不同程度地拓展TiO2的可见光响应范围,是一种有效的TiO2改性途径。

2001年Asahi[11]首次将非金属N引入TiO2获得可见光响应。笔者认为N原子代替TiO2晶格中的O产生氧空位, N2p轨道与O2p轨道杂化使TiO2带隙变窄;通过研究提出,非金属离子掺杂应该满足如下要求:(1)在禁带内产生杂质能级,吸收可见光;(2)导带底边位置合适,以确保光化学反应能正常进行;(3)掺杂能级与TiO2导带或价带有效重叠。理论计算表明不同离子掺杂作用差异显著,虽然S原子的3p 轨道也能与TiO2中O2p轨道有效重叠,但是由于S原子半径太大,对O的替代式/间隙式掺杂造成的晶格畸变太大,效果不好;而N掺杂体系中,N原子2p轨道与O2p轨道重叠,减小了TiO2的带隙,拓展了TiO2的光谱响应范围,对结构影响不大,效果较好。Khan[12]于2002年发现C掺杂TiO2的起始吸收波长能拓展到535nm,对应于2.32eV的带隙能量;光解水制H2效率为11%,总光电转换效率为8.35%。之后,出现了大量单掺或共掺非金属离子TiO2的材料制备、性能和理论分析的研究报道。

虽然掺杂金属、非金属元素可以一定程度地提高传统半导体的可见光响应活性,但是,光生电子和空穴的迁移率较低,可见光利用效率不高,材料稳定性还有待于提高,这也是基于传统半导体掺杂改性材料需要解决的问题。

2.2　新型窄带隙光催化材料

2.2.1　多元氧化物(A x B y O z)

多元氧化物代表组成体系主要有ABO4和AB2O4两类。Kudo[13]用水热法制备了具有良好光催化活性的钒酸盐系列半导体。其中代表性的是BiVO4(带隙为2.3～2.4eV),单斜晶系BiVO4在波长450nm光照下,光解水的量子效率为9%。

其它体系的研究也较多,邹志刚等[14]系统地研究了铟酸盐系列的半导体材料,并从结构特点出发研究了CaIn2O4、BaIn2O4、SrIn2O4等3种物质的可见光催化活性。降解亚甲基蓝实验发现,CaIn2O4催化性能较其它两者高,在580nm可见光照射时表现出最高的活性。此外,叶金花等[15]研究发现用湿化学法制备的CaBi2O4在可见光条件下具有较好的降解甲醛和亚甲基蓝的效果。采用固相法制备了正交晶系M2.5VMoO8(M=Mg,Zn),并测试了可见光分解水制O2的特性,发现Mg2.5VMoO8和Zn2.5VMoO8的导带分别由V3d或Mo4d组成,Mg2.5VMoO8的价带由O2p组成,而Zn2.5VMoO8的价带则是由O2p与Zn3d组成的杂化轨道;虽然Zn2.52 VMoO8价带杂化轨道既不能降低带隙能量又不能使价带向上移动,但是O2p与Zn3d的杂化轨道可以提高光生空穴的迁移率,从而有利于O2的生成。Tian[16]制备了一系列的金属氧化物半导体K4Ce2M10O30(M=T a,Nb)材料,当掺杂Pt、RuO2和NiO(NiO x)作为助催化剂时,带隙能仅为1.8～2.3eV,吸收光谱为540～690nm,可以高效利用太阳光。

多元氧化物是一类具有丰富组成和结构的新型窄带隙光催化材料,有较大的研究和发展价值,不过目前大多采用固相法制备,制得的样品存在尺寸大、容易伴生杂相等问题。

2.2.2　氮氧化物和氮化物

这一体系组元较简单,研究主要集中于氮元素提高材料活性作用方面。Domen等[17]通过在N H3气流中加热Ta2O5制备了TaON(2.5eV)和Ta3N5(2.1eV)。可见光照射(λ≥420nm),用Ag+和甲醇溶液辅助光解水制H2和O2,发现TaON制O2的效率较高,量子效率高达34%。研究指出,两者的价带和导带结构分别由N2p轨道和Ta5d轨道组成; N2p轨道比以往的O2p轨道电位更负,从而使带隙变窄,有利于在可见光下反应。Li等[18]利用溶胶2凝胶法制备N掺杂的TiO2,获得了TiON化合物,发现N含量决定了TiON 纳米颗粒对光谱的吸收范围:随着N含量的增加,TiON的带隙能从3.05eV逐渐降低到2.90eV。在N/Ti原子比率不大于25%的轻掺N条件下,TiO2原有的带隙被掺杂N2p轨道所屏蔽,这些N2p轨道能级比Ti3d的低,产生了可见光吸收。

研究表明,掺杂N主要影响材料的带隙结构,屏蔽原有的价带,降低导带位置从而使带隙变窄,获得了可见光响应特性。

2.2.3　其他体系

除以上两种体系之外,还有其他一些体系同样具备窄带隙半导体材料的特点。其中Kudo[19]用固相法制备了含窄带隙半导体AgInS2的固溶体(AgIn)x Zn2(1-x)S2材料。固溶体中的Ag离子与AgNbO3中的Ag离子作用一样,有利于价带还原反应制取氢气,研究发现在可见光的作用下, (AgIn)0.22Zn1.56S2(=AgInZn7S9)(带隙能为2.3eV)具有较高的催化活性。另外发现,当Pt(3%(质量分数))吸附在(AgIn)0.22Zn1.56S2表面时,活性更高:420nm光照制H2的量子效率高达20%。此外,Cham[20]以混合了ZnS和ZnO的Zn(NO3)2作为前驱物,N2气氛下固相法400℃热处理制得ZnS和ZnO的混合型半导体ZnO x S1-x,其带隙能为2.4eV,显著低于ZnS和ZnO的3.5eV和3.1eV。研究指出,通过

适当改变价带结构可提高可见光的吸收率。在可见光下降解BR2和42CC的实验证明,最佳物质的量比为1∶3的ZnO x S1-x比纯相ZnS和ZnO具有更好的可见光吸收性能。

3　影响窄带隙半导体光催化活性的因素

3.1　晶体结构

晶体结构中,缺陷因素对光催化活性的影响最大。通常情况下,结构中缺陷越多,光生载流子复合的几率越高,光催化活性随之降低。除了缺陷因素之外,本文关注的是晶体结构中非缺陷因素的作用。

研究指出,构成晶胞单元的氧化物四面体或八面体结构所产生的偶极矩对光生载流子的分离有一定影响,偶极矩形成的内电场有利于光生电子和空穴的分离。以包含InO6的一系列能够光分解水的催化剂,如AgInW2O8和InMO4(M= Ta,Nb,V)[21-23]为例,具有八面体结构的InO6能够促进载流子迁移,从而提高光催化活性。Inoue等[24]报道了吸附RuO2的Ba Ti4O9催化剂的活性,Ba Ti4O9最显著的结构特点就是五角棱的隧道结构,变形的TiO6八面体镶嵌在其中。结构中,TiO6八面体产生的偶极矩可以有效分离光生电子和空穴,提高迁移效率。具有夹层结构的A2Nb6O17(A=K, Rb)材料可作为光催化剂,在K2NbO17结构交替出现的两种夹层结构中,能自发地产生水合作用;光解水时,水分子进入夹层有利于催化反应。

邹志刚等[25]研究了不同固体催化剂的晶体结构。包括烧绿石结构的A2B2O7和Bi2MNbO7(M=Al,Ga,In Y, Fe),属于立方晶系,空间群为Fd3m;ABO4结构的BiMO4 (M=Nb5+,Ta5+),当M=T a时为三斜晶系,空间群为P1,M =Nb时为正交晶系,空间群为Pnna;具有钨锰铁矿石结构ABO4的InMO4(M=Nb5+,T a5+),属单斜晶系,空间群为P2/a。尽管这些催化剂的晶体结构不同,但是它们都包含有相同的八面体结构TaO6或NbO6。能带结构中的导带由Tad轨道或Nbd轨道构成,价带是由O2p轨道组成。通过在C H3O H/H2O水溶液中水解H2的对比实验发现,Bi Ta1-x2 Nb x O4(x=0.2)具有最高的活性。

可以认为,晶体结构内偶极矩对光催化影响较为显著,偶极矩越大,光生载流子越容易迁移,催化剂的活性越好。除此之外,还有一些学者提出其他一些结构的影响因素,如黄富强[26]研究了诸多Ba Ti n O2n+1(n=1,2和4)系列材料的光催化性能与结构的关系,结果表明,3种钛酸钡Ba Ti n O2n+1 (n=1,2和4)的光催化活性都随n的增大而增强,根据相关结果提出了堆积率(定义为单位晶胞内所有组成离子的体积占整个晶胞体积的百分比)的概念,认为堆积率越小,材料的晶体结构越开放,结构开放度可以很好地解释光催化活性的差异:在3种材料中,结构越开放,越有利于光生电子2空穴的传输和分离,而且光催化性能越好。以上研究表明,需要从晶体结构角度理解、研究和改善特定体系的光催化活性。3.2　光催化剂的表面特性

光催化降解反应是在固体光催化剂颗粒表面发生的一种多相表面反应过程,因此光催化活性与固体颗粒表面特性、比表面积大小、表面活性中心数量和特性等因素有关。比表面积还一定程度地影响了光生电子和空穴的复合几率。一般来说,比表面积越小、颗粒尺寸越大,光生载流子迁移到颗粒表面所需的时间越长,在颗粒内部发生复合的几率越大,不利于光催化效率的提高。

颗粒尺寸变化引起的比表面积改变、光生载流子的复合几率变化等对光催化活性的影响非常显著。Xu等[27]将通过微波照射合成的YVO4颗粒进行退火处理,得到不同粒径大小的YVO4颗粒,研究了尺寸为5～300nm的YVO4颗粒对甲基橙的降解效率。结果发现,颗粒的催化活性随尺寸的不同而有规律地改变。5nm的YVO4颗粒,高的比表面积可以降低电子和空穴的复合几率,提高颗粒在污染物表面的吸附能力,显著提高降解活性。Chang等[28]的研究表明,700℃下制备的具有核壳结构的In2O3/CaIn2O4对亚甲基蓝具有最佳降解活性,高活性与核2壳大接触面积有关。这种大接触面积能有效传输表面产生的光电子。此外,由于In2O3的异带位置较低,使表面产生的光电子能得到有效分离,减少了复合几率。

颗粒表面结构及吸附特性对活性的影响也很显著。Zhu[29]发现吸附C60后的Bi2WO6有比较高的光催化活性。研究提出,C60吸附在Bi2WO6表面改变了光生载流子的迁移率:单分子层C60中,离开原位的共轭Π结构有助于传送电子空穴对,降低电子空穴对的复合几率,使它们较快地转移到Bi2WO6表面进行光催化反应。实验指出,最佳质量分数为1.25%C60/Bi2WO6降解甲基蓝的速率提高了5倍,降解罗丹明B的速率提高1.5倍。邹志刚等[30]发现表面负载NiO x后的黑钨矿NiO x/In0.9Ni0.1TaO4具有可见光分解水的性能,而单纯的In0.9Ni0.1TaO4在可见光下几乎不产生H2和O2,这表明催化剂表面修饰结构对光催化活性有重要的影响。研究认为,NiO

x负载后的催化剂可形成短路的微型光电池系统:NiO x是阴极,而In0.9Ni0.1TaO4是阳极,体相激发电子注入NiO x,还原水得到H2;空穴存留在In0.9Ni0.1TaO4表面,氧化水得到O2,因此可有效地避免载流子的复合,负载后光催化活性提高近40倍[31]。L u等[32]制备了添加表面活性剂溴化十六烷三甲基铵(CTAB)的BiFeO3光催化剂,颗粒平均尺寸为1.3～2μm,平均厚度为200～300nm,在λ≥410nm范围内具有光催化橙黄Ⅱ的活性:当表面活性剂(CTAB)为0.1mol/L时,降解橙黄Ⅱ的活性高达42.5%。

此外离子半径也会影响催化性能。Ye等[30,31]用固相法制备的MIn2O4系列CaIn2O4、BaIn2O4、Sr In2O4半导体,所含金属离子半径不同,从Ca到Sr离子半径逐渐增加。实验结果表明,随着离子半径的增加,催化活性逐渐降低,在120min 可见光照射降解亚甲基蓝溶液(p H=10)条件下,CaIn2O4表现出最好的效果。在MIn2O4系列中,金属离子半径的大小间接地影响光生载流子的传输速度。

3.3　其他因素

调节能带结构不仅可以减小带隙,拓展可见光响应,同时也可达到改善光催化活性的效果。有多篇关于通过掺杂不同的金属离子改变催化剂能带结构,实现可见光解水的研

究报道[33-36],如Kato[37]通过掺杂La离子和碱金属离子来提高Na TaO3的催化活性,并用于光解水。研究表明,通过改变价带结构,可以将带隙变窄。以Domen等[38]制备TaON 和Ta3N5为例,价带和导带分别由Ta5d和N2p构成。N2p 与O2p相比,N2p在价带中的能级比较高,可将带隙变窄,提高活性。Cham[39]制备了ZnO x S1-x,理论分析指出,ZnO x S1-x 的价带由O和S轨道杂化而成,而ZnS的价带是S3p轨道,其价带能比O2p轨道的高。ZnO x S1-x的最高被占据轨道比ZnO的最高被占据轨道更负。与ZnS和ZnO相比, ZnO x S1-x的导带结构也得到较大改善,因此ZnO x S1-x带隙较窄。邹志刚[25]提到In TaO4和InNbO4价带由O2p轨道组成,导带则分别由Tad轨道和Nb4d轨道构成,元素组成不同会影响导带位置,从而造成带隙的不同,两者带隙分别为2.6eV和2.5eV。

4　合成工艺的研究

早期新型窄带隙材料大多采用固相反应法制备;近两年来出现了大量用湿化学工艺制备及性能研究的报道,下面就此进行介绍。

4.1　固相法

广义地讲,凡是主要由固相参与的反应都可称为固相反应。固相反应是材料的主要制备手段,固相法通常具有以下特点:(1)一般需要在高温下进行;(2)反应一般包括物质在相界面上的反应和物质迁移两个过程;整个反应速率由速率最慢的过程控制;(3)反应过程比较复杂,一般要经历原料→最初产物→中间产物→最终产物的过程,反应产物具有阶段性。

Tian[16]利用传统固相法合成K4Ce2M10O30(M=Ta, Nb)。先将K2CO3?3H2O、Ce(NO3)3?6H2O和Ta2O5 (Nb2O5)的混合物在800℃下热处理5h,研磨之后再于1100℃煅烧12h,获得最终产物。Choy[40]利用固相烧结法制备A(In1/3Nb1/3B1/3)O3(A=Sr,Ba;B=Sn,Pb),在氧气氛下于950～1050℃反应数天,获得不同带隙的催化剂材料。Ye 等[14]用固相法制备MIn2O4(M=Ca,Sr,Ba),将MCO3和In2O3按配比混合并溶解到乙醇溶液中,80℃下干燥5h,再于900℃下煅烧12h,最后在1050℃下热处理12h。

此外,也有用固相法进行包覆的报道。Chang[28]利用固相法制备多晶CaIn2O4,在1054℃下退火处理24h以上,得到纯相CaIn2O4并用来包覆In2O3。具有间接带隙的CaIn2O4只能吸收小于480nm波长的光,In2O3的间接带隙能为2.5eV。这种核壳结构的半导体中,利用In2O3与CaIn2O4之间的接触,使得在CaIn2O4导带底部中产生的电子能够有效地注入到较低的In2O3导带中[41]。Kudo[42]采用固相烧结,900～1300℃下烧结5～25h,制备掺杂有贵金属离子的Sr TiO3,掺杂1%的Rh时可见光条件下光解水制备H2性能较好。Abe[43]用固相法在1200℃反应15min制备K4Nb6O17,可见光解含有施主碘化物的乙腈溶液,制取的H2的最高产率为2.5%左右。

传统的固相反应需要高温反应条件,存在能耗大、粉体产物颗粒大、尺寸分布不均等缺点。而湿化学工艺则较适合制备细晶材料,与光催化剂材料的小尺寸、大比表面积要求相符合,因此,近几年湿化学法制备的研究报道快速增加。

湿化学法是一种制备纳米材料的常用方法。湿化学法在液相中完成反应,可实现分子或原子水平上的均匀混合,制得的粉体颗粒小、纯度高、形状规整、粒径分布范围窄。目前使用最广泛的是溶胶2凝胶法和水热法。

4.2　溶胶2凝胶法

溶胶2凝胶法是一种制备陶瓷、玻璃、纤维和大块固体、薄膜等无机材料的方法,普遍用于微米、亚微米和纳米级粉末的合成。一般将其分为溶胶制备、溶胶向凝胶转化以及凝胶干燥3个基本的制备工序。溶胶2凝胶法能够控制固体的晶体结构、纹理构造和均匀性,达到“剪裁”物质的效果。

Liu等[44]采用光照辅助溶胶2凝胶法合成小尺寸、分散性良好的单斜BiVO4,可见光照射FeCl3水溶液可光解水生成O2。Mat hur等[45]先通过金属醇盐和氨基化合物合成异质金属醇盐[YFe(OPri)6(PriO H)2],水解得到均质溶胶,之后将干凝胶进行热处理得到纯相YFeO3。溶胶2凝胶法中常用的凝胶剂有柠檬酸、乙二醇、聚乙烯醇、硬脂酸等。例如Todo2 rovksy等[46]用柠檬酸作为网络剂、在Y/Fe比1∶1或3∶5条件下合成钇2铁聚合体,在成胶过程中金属离子与柠檬酸络合,提高了分散程度,通过加热聚合体制备得到YFeO3或Y3Fe5O12。

研究表明,溶胶2凝胶法合成的光催化剂具有化学均匀性好、纯度高、易操作、合成温度相对较低等优点,但也存在反应时间较长、干燥时收缩大、高温热处理时易烧结等问题;此外,反应过程对溶液p H值、热处理温度等条件要求较为苛刻,若采用醇盐作为金属源,则成本较高。因此需要综合考虑各种因素才能获得适用的材料制备技术。

4.3　水热法

在众多的湿化学法工艺中,水热法或者溶剂热法因其非平衡反应条件下可直接获得结晶度良好、尺寸分布均匀的纳米粉体的优势,受到许多研究者的关注。

如Kudo等[47]采用水热法制备BiVO4,用钒酸盐和Bi(NO3)3?5H2O混合反应生成微溶的BiONO3溶液,在此水溶液中室温反应3天获得BiVO4。产物有2种结构,单斜晶系BiVO4带隙为2.4eV,四方晶系BiVO4带隙为2.9eV,用水解AgNO3水溶液制取O2的实验研究其活性,结果表明单斜BiVO4比用传统固相法制得的BiVO4具有更高的活性,在450nm光照下O2产率可达9%左右。Zhu[29]用水热法合成Bi2WO6,将前驱物Na2WO4和Bi(NO3)3按1∶2比例混合,经180℃反应20h制得Bi2WO6样品,并用C60进行改性,包覆在Bi2WO6表面的C60在提高光生电子空穴对分离速率的同时降低了电子空穴对的复合几率,从而提高了光催化效率。

水热合成法具有合成条件温和、产物纯度高、晶粒发育完整、粒径小且分布较均匀、无明显团聚、形貌可控等优点,且兼有合成路线和装置简单以及合成温度较低等特点,已成为一种颇具应用前景的窄带隙半导体光催化剂的制备方法。

5　应用及展望

在可见光激发下具有良好光响应与光催化反应活性的窄带隙半导体材料的研发和应用,可以弥补宽带隙材料不能利用太阳光可见波段能量的缺点,不仅在光催化降解有机污染物方面具有广阔的应用前景,而且一旦在清洁氢能源制备方面获得技术突破的话,意义更为重大,对解决能源短缺和环境污染日益加剧具有深远的影响。

基于窄带隙半导体材料的可见光催化技术具有的重要意义,以及人类可持续发展面临着巨大的环境和能源压力[48],迫切需要发展新的清洁能源技术和环境污染治理技术,今后相关领域的重点研究方向可归纳为以下几方面。

(1)继续开展光催化材料与光催化反应的基础理论研究。对光催化机理进行更广更深的认识和拓展;深入剖析光催化反应的机理,研究光催化剂电子结构、晶体结构和微观结构与光响应范围、光催化效率及稳定性等性能的关系,探索其影响规律,通过组分等多方控制设计理想实用、带隙可控的光催化剂。

(2)探索制备高比表面积、高稳定性的光催化剂的新方法。目前光催化剂的制备多采用高温固相反应法,所制备的催化剂粒径一般为微米尺度,比表面积较小。而柠檬酸络合法、水热法等虽然能在较低温度下制备比表面积较大的晶体材料,但是对原料和设备有较高要求,而且不利于大规模生产;此外,目前合成的催化剂多是颗粒或粉末状,不利于实际应用,因此需要发展合适的载体或担载结构以便回收利用,提高光催化剂应用的可操作性。基于纳米尺度光催化剂所表现出的表面积效应和量子尺寸效应可提高光催化性能的优势,需要探索高比表面积、高稳定性的光催化剂的新制备工艺。

(3)从系统工程角度研究并提高光催化剂的性能。目前制备的大量可见光响应的光催化剂,其光吸收和光催化效率有待继续提高,稳定性也存在一定问题。除了需要选择恰当的原子构筑具有特定电子和晶体结构的光催化材料,实现分子水平设计新型高效光催化剂之外,也需要通过研制纳米尺度的p2n结、异质结或插层等复合结构以及其他诸如介孔结构设计的思想,结合光电催化优势构建光电系统,以达到高效率的光催化和宽谱的光响应性能。

特别是需要结合我国矿产资源特色加强相关廉价高效光催化材料的研究。构成新型光催化剂的W、Bi、Mo、Ti等元素在我国资源丰富,其中Ti、Bi储量更为世界第一。对这些元素组成的新型光催化剂的制备、结构与性能进行充分的研究,对我国矿产资源的深度利用开发,发展太阳能制氢新材料,解决环境污染和能源短缺等问题具有战略意义。

参考文献

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9　Ishii T,Kato H,Kudo A.J Photobiol A,2004,163:181 10Kudo A.Pure Appl Chem,2007,79(11):1917

11Asahi R,Morikawa T,et al.Science,2001,293:269

12Khan S U M,et al.Science,2002,297:2243

13Kudo A,et al.J Am Chem Soc,1999,121:11459

14Tang J W,et al.Chem Mater,2004,16(9):1644

15Wang D F,et al.Catal Today,2004,(93295):891

16Tian M K,Shangguan W F,Yuan J,et al.Appl Catal A2 General,2006,309(1):76

17Yamasita D,et al.Solid State Ionics,2004,172:591

18Li Q,et al,et al.J Amer Ceram Soc,2007,90(4):1045 19Kato H,Kudo A.J Amer Ceram Soc,2004,126:13406

20Kim C,et al.Appl Catal A2G eneral,2007,330:127

21Tang J W,et al.J Phys Chem B,2003,107:14265

22Ye J H,et al.Chem Phys Lett,2002,356:221

23Z ou Z G,et al.Chem Phys Lett,2002,332:271

24Ogura S,Sato K,Inoue Y.Phys Chem Chem Phys,2000,2

(10):2449

25Z ou Z G,Arakawa H.J Photochem Photobiol A:Chem, 2003,158:145

26黄富强,杨建华,等.无机材料学报,2007,22(6):1075

27Xu H Y,et al.J Hazard Mater,2007,144(122):82

28Chang W K,Rao K K,Kuo H C,et al.Appl Catal A2Ge2 neral,2007,321(1):1

29Zhu S B,et al.Environ Sci Techn,2007,41(17):6234

30Z ou Z G,Ye J H,Sayama K,et al.Nature,2001,414:625 31Z ou Z G,et al.J Phys Chem B,2002,106:13098

32L u X M,et al.J Mater Sci,2007,42:6824

33Sayama K,et al.Chem Commun,2001:2416

34Kato H,et al.Chem Lett,2004,33:1348

35Abe R,et al.Chem Commun,2005:3829

36Maeda K,et al.Nature,2006,440:295

37Kudo A,et al.Chem Phys,2007,339:104

38Yamasita D,et al.Solid State Ionics,2004,172:591

39Kim C,et al.Appl Catal A2G eneral,2007,330:127

40Hur S G,K im T W,Choy J H.J Photochem Photobiol A: Chem2006,183:176

41Wang D F,Z ou Z G,Ye J H.Chem Mater,2005,17:3255 42Kudo A,K onta R.J Phys Chem B,2004,108:8992

43Abe R,Sayama K,Arakawa H.J Photochem Photobiol A: Chem,2004,166:115

44Liu H,et al.J Electrochem Soc,2005,152:856

45Mathur S,et al.Chem Mater,2004,16:1906

46Todorovksy D,Todorovska R,Groudeva2Z otova S.Mater Lett,2002,55:41

47Kudo A,et al.J Am Chem Soc,1999,121:11459

48Mingce L,J un C,et al.Progress In Chemistry,2006,9: 1065

(责任编辑　林　芳)

半导体物理带图

施主与受主:半导体中掺入施主杂质后,施主电离后将成为带正电离子,并同时向导带提供电子,这种杂质就叫施主;半导体中掺入受主杂质后,受主电离后将成为带负电的离子,并同时向价带提供空穴,这种杂质就叫受主.直接带隙与间接带隙:直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在k 空间中同一位置.间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k 空间中不同位置.简并与非简并半导体:简并半导体:掺杂浓度高,对于n 型半导体,其费米能级EF 接近导带或进入导带中;对于p 型半导体,其费米能级EF 接近价带或进入价带中的半导体.非简并半导体:掺杂浓度较低,其费米能级EF 在禁带中的半导体.少子与多子:半导体中有电子和空穴两种载流子.半导体材料中某种载流子占大多数,则称它为多子,另一种为少子.表面重构与表面弛豫:其表面的分子链、链段和基团会随着环境改变而重新排列以适应环境的变化,使界面能最低达到稳定状态.表面为了适应环境从一个状态到另一个状态的变化过程,称表面重构.空穴与空位:在电子挣脱价键的束缚成为自由电子后,其价键中所留下的空位.一个空穴带一个单位的正电子电量.空位:晶体中的原子或离子由于热运动离开了原来的晶格位置后而留下的.少子寿命与扩散长度:非平衡载流子的平均生存时间,扩散长度则是非平衡载流子深入样品的平均距离.杂质与杂质能级:杂质,半导体中存在的于本体元素不同的其他元素.半导体材料的电磁性质可以通过掺入不同类型和浓度的杂质而加以改变,半导体中的杂质或缺陷可以在禁带中形成电子的束缚能级,称为杂质能级.本征半导体:纯净的,不含任何杂质和缺陷的半导体.杂质带导电:杂质能带中的电子通过杂质电子之间的共有化运动参加导电的现象称为杂质导电.电中性条件:电中性条件是半导体在热平衡情况下,它的内部所必须满足的一个基本条件.电中性条件即是说半导体内部总是保持为电中性的,其中没有多余的空间电荷,即处处正电荷密度等于负电荷密度.禁带窄化效应:杂质能带进入导带或价带,并与导带或价带相连,形成新的简并能带,使能带的状态密度发生了变化,简并能带的尾部伸入到禁带中,称为带尾,导致禁带宽度由Eg 减小到Eg ’,所以重掺杂时,禁带宽度变窄了,称为禁带变窄效应.负阻效应 直接复合与间接复合:直接复合:导带电子和价带空穴之间直接跃迁复合.间接复合:导带电子通过复合中心（禁带中的能级）和价带空穴间接复合. 什么叫浅能级杂质?它们电离后有何特点?答:浅能级杂质是指杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质.它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负电（电离受主）的离子,并同时向导带提供电子或向价带提供空穴.漂移运动与扩散运动之间有什么联系?非简并半导体的迁移率与扩散系数之间有什么联系?解:漂移运动与扩散运动之间通过迁移率与扩散系数相联系.而非简并半导体的迁移率与扩散系数则通过爱因斯坦关系相联系,二者的比值与温度成反比关系,即q 0=μ.何谓非平衡载流子?非平衡状态与平衡状态的差异何在?解:半导体处于非平衡 态时,附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度,额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子.通常所指的非平衡载流子是指非平衡少子.热平衡状态下半导体的载流子浓度是一定的,产生与复合处于动态平衡状态,跃迁引起的产生、复合不会产生宏观效应.在非平衡状态下，额外的产生、复合效应会在宏观现象中体现出来.何谓迁移率?影响迁移率的主要因素有哪些?解:迁移率是单位电场强度下载流子所获得的漂移速率.影响迁移率的主要因素有能带结构（载流子有效质量）温度和各种散射机构.何谓本征半导体?为什么制造半导体器件一般都用含有适当杂质的半导体材料?完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体.杂质能够为半导体提供载流子,对半导体材料的导电率影响极大.简要说明什么是载流子的漂移运动,扩散运动和热运动?他们有何不同?解:载流子因浓度差而引起的扩散运动;在电场力作用下载流子的漂移运动;由外加温度引起的载流子的热运动等.热运动:在没有任何电场作用时,一定温度下半导体中的自由电子和空穴因热激发所产生的运动是杂乱无障的,好像空气中气体的分子热运动一样.由于是无规则的随机运动,合成后载流子不产生定向位移,从而也不会形成电流.漂移运动:在半导体的两端外加一电场E,载流子将会在电场力的作用下产生定向运动.电子载流子逆电场方向运动,而空穴载流子顺着电场方向运动.从而形成了电子电流和空穴电流,它们的电流方向相同.所以,载流子在电场力作用下的定向运动称为漂移运动,而漂移运动产生的电流称漂移电流.扩散运动: 在半导体中,载流子会因浓度梯度产生扩散.如在一块半导体中,一边是N 型半导体,另一边是P 型半导体,则N 型半导体一边的电子浓度高,而P 型半导体一边的电子浓度低.反之,空穴载流子是P 型半导体一边高,而N 型半导体一边低.由于存在载流子浓度梯度而产生的载流子运动称为扩散运动.就你在任何知识渠道所获得的信息，举出一个例子来说明与半导体物理相关的最新知识进展。简述pn 结的形成及平衡pn 结的特点.将P 型半导体与N 型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成PN 结.PN 结具有单向导电性.在半导体中,费米能级标志了什么?它与哪些因素有关?系统处于热平衡状态,也不对外做功时,系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化.其标志了电子填充能级的水平.温度,半导体材料的导电类型,杂质的含量,能量零点的选取等.简述浅能级杂质和深能级杂质的主要区别.解:深能级杂质在半导体中起复合中心或陷阱的作用.浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用.浅能级杂质就是指在半导体中、其价电子受到束缚较弱的那些杂质原子,往往就是能够提供载流子—电子或空穴的施主、受主杂质;它们在半导体中形成的能级都比较靠近价带顶或导带底,因此称其为浅能级杂质.深能级杂质:杂质电离能大,施主能级远离导带底,受主能级远离价带顶.深能级杂质有三个基本特点:一是不容易电离,对载流子浓度影响不大.二是一般会产生多重能级,甚至既产生施主能级也产生受主能级.三是能起到复合中心作用,使少数载流子寿命降低.四是深能级杂质电离后以为带电中心,对载流子起散射作用,使载流子迁移率减小,导电性能下降.简述金半结的形成过程及金半结接触的类型.轻掺杂半导体上的金属与半导体形成整流接触,其接g 半导体中出现成对的电子-空穴对.如果温度升高,则禁带宽度变窄,跃迁所需的能量变小,将会有更多的电子被激发到导带中. 试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因.解:电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带,即允带和禁带.温度升高,则电子的共有化运动加剧,导致允带进一步分裂,变宽;允带变宽,则导致允带与允带之间的禁带相对变窄.反之,温度降低,将导致禁带变宽.因此,Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数. 试指出空穴的主要特征.解:空穴是未被电子占据的空量子态,被用来描述半满带中的大量电子的集体运动状态,是准粒子.主要特征如下:A 、荷正电:+q;B 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）;C 、E P =-E n ;D 、m P *=-m n *.简述Ge 、Si 和GaAS 的能带结构的主要特征.解: Ge 、Si: a ）Eg (Si ：0K) = 1.21eV ；Eg (Ge ：0K) = 1.170eV ； b ）间接能隙结构c ）禁带宽度E g 随温度增加而减小； GaAs a ）E g （300K ）= 1.428eV ，Eg (0K) = 1.522eV ；b ）直接能隙结构；c ）Eg 负温度系数特性： dE g /dT = -3.95×10-4eV/K ；什么叫浅能级杂质?它们电离后有何特点?解:浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质.它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负电（电离受主）的离子,并同时向导带提供电子或向价带提供空穴. 什么叫施主?什么叫施主电离?施主电离前后有何特征?试举例说明之,并用能带图表征出n 型半导体.解:半导体中掺入施主杂质后,施主电离后将成为带正电离子,并同时向导带提供电子,这种杂质就叫施主.施主电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离.施主电离前不带电,电离后带正电.例如,在Si 中掺P,P 为Ⅴ族元素,本征半导体Si 为Ⅳ族元素,P 掺入Si 中后,P 的最外层电子有四个与Si 的最外层四个电子配对成为共价电子,而P 的第五个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自由电子.这个过程就是施主电离.n 型半导体的能带图如图所示:其费米能级位于禁带上方. 什么叫受主?什么叫受主电离?受主电离前后有何特征?试举例说明之,并用能带图表征出p 型半导体.解:半导体中掺入受主杂质后，受主电离后将成为带负电的离子,并同时向价带提供空穴,这种杂质就叫受主.受主电离成为带负电的离子（中心）的过程就叫受主电离.受主电离前带不带电,电离后带负电.例如,在Si 中掺B,B 为Ⅲ族元素,而本征半导体Si 为Ⅳ族元素,P 掺入B 中后,B 的最外层三个电子与Si 的最外层四个电子配对成为共价电子,而B 倾向于接受一个由价带热激发的电子.这个过程就是受主电离.p 型半导体的能带图如图所示:其费米能级位于禁带下方.掺杂半导体与本征半导体之间有何差异?试举例说明掺杂对半导体的导电性能的影响.解:在纯净的半导体中掺入杂质后,可以控制半导体的导电特性.掺杂半导体又分为n 型半导体和p 型半导体.例如,在常温情况下,本征Si 中的电子浓度和空穴浓度均为1.5╳1010cm -3.当在Si 中掺入1.0╳1016cm -3 后,半导体中的电子浓度将变为1.0╳1016cm -3,而空穴浓度将近似为2.25╳104cm -3.半导体中的多数载流子是电子,而少数载流子是空穴.两性杂质和其它杂质有何异同?解:两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的杂质.如Ⅲ-Ⅴ族GaAs 中掺Ⅳ族Si.如果Si 替位Ⅲ族As,则Si 为施主;如果Si 替位Ⅴ族Ga,则Si 为受主.所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关.深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响?解:深能级杂质在半导体中起复合中心或陷阱的作用.浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用.何谓杂质补偿?杂质补偿的意义何在?当半导体中既有施主又有受主时,施主和受 画出Si 和GaAs 的能带结构简图，并分析其能带结构特点Ge 、Si: a ）Eg (Si ：0K) = 1.21eV ；Eg (Ge ：0K) = 1.170eV ； b ）间接能隙结构c ）禁带宽度E g 随温度增加而减小； GaAs ： a ）E g （300K ）= 1.428eV ，Eg (0K) = 1.522eV ；b ）直-4段温度很低，本征激发可忽略。 半导体接触形成阻 其接触后的能带图如图

半导体材料发展情况

实用标准文案 1、硅材料 从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。 从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smart cut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。 理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al 引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

北京科技研究生半导体材料导论复习题

1、半导体材料有哪些特征？ 答：半导体在其电的传导性方面，其电导率低于导体，而高于绝缘体。 （1）在室温下，它的电导率在103~10-9S/cm之间，S为西门子，电导单位，S=1/ρ（Ω. cm) ；一般金属为107~104S/cm，而绝缘体则<10-10，最低可达10-17。同时，同一种半导体材料，因其掺入的杂质量不同，可使其电导率在几个到十几个数量级的范围内变化，也可因光照和射线辐照明显地改变其电导率；而金属的导电性受杂质的影响，一般只在百分之几十的范围内变化，不受光照的影响。 （2）当其纯度较高时，其电导率的温度系数为正值，即随着温度升高，它的电导率增大；而金属导体则相反，其电导率的温度系数为负值。 （3）有两种载流子参加导电。一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载流子，称为空穴。而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中是仅靠电子导电，而在电解质中，则靠正离子和负离子同时导电。 2、简述半导体材料的分类。 答：对半导体材料可从不同的角度进行分类例如： 根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体； 根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体； 根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体， 但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依此可分为：元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大类。 3、化合物半导体和固溶体半导体有哪些区别。 答：由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比所构成的。固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及有关性质也随之变化。 4、简述半导体材料的电导率与载流子浓度和迁移率的关系。 答：s = nem 其中： n为载流子浓度，单位为个/cm3; e 为电子的电荷，单位为C（库仑），e对所有材料都是一样，e=1.6×10-19C 。 m为载流子的迁移率，它是在单位电场强度下载流子的运动速度，单位为cm2/V.s； 电导率s的单位为S/cm(S为西门子）。 5、简述霍尔效应。 答：将一块矩形样品在一个方向通过电流，在与电流的垂直方向加上磁场(H)，那么在样品的第三个方向就可以出现电动势，称霍尔电动势，此效应称霍尔效应。 6、用能带理论阐述导体、半导体和绝缘体的机理。 答：按固体能带理论，物质的核外电子有不同的能量。根据核外电子能级的不同，把它们的能级划分为三种能带：导带、禁带和价带（满带）。 在禁带里，是不允许有电子存在的。禁带把导带和价带分开，对于导体，它的大量电子处于导带，能自由移动。在电场作用下，成为载流子。因此，导体载流子的浓度很大。 对绝缘体和半导体，它的电子大多数都处于价带，不能自由移动。但在热、光等外界因素的作用下，可以使少量价带中的电子越过禁带，跃迁到导带上去成为载流子。 绝缘体和半导体的区别主要是禁的宽度不同。半导体的禁带很窄，（一般低于3eV），绝缘体的禁带宽一些，电子的跃迁困难得多。因此，绝缘体的载流子的浓度很小。导电性能很弱。实际绝缘体里，导带里的电子不是没有，并且总有一些电子会从价带跃迁到导带，但数量极少。所以，在一般情况下，可以忽略在外场作用下它们移动所形成的电流。但是，如果外场很强，束缚电荷挣脱束缚而成为自由电荷，则绝缘体就会被“击穿”而成为导体。 7、什么是本征半导体和杂质半导体？ 答：当半导体主要是靠热激发产生载流子时，导电称为本征导电，这种半导体称为本征半导体，其特点是自由电子数等于空穴数。另一种导电机制是靠电活性杂质形成的载流子导电，这种导电称为杂质导电，这种半导体称为杂质

半导体材料导论结课复习题

半导体材料复习题 1、半导体材料有哪些特征？ 答：半导体在其电的传导性方面，其电导率低于导体，而高于绝缘体。 （1）在室温下，它的电导率在103~10-9S/cm之间，S为西门子，电导单位，S=1/ρ（Ω. cm) ；一般金属为107~104S/cm，而绝缘体则<10-10，最低可达10-17。同时，同一种半导体材料，因其掺入的杂质量不同，可使其电导率在几个到十几个数量级的范围内变化，也可因光照和射线辐照明显地改变其电导率；而金属的导电性受杂质的影响，一般只在百分之几十的范围内变化，不受光照的影响。 （2）当其纯度较高时，其电导率的温度系数为正值，即随着温度升高，它的电导率增大；而金属导体则相反，其电导率的温度系数为负值。 （3）有两种载流子参加导电。一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载流子，称为空穴。而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中是仅靠电子导电，而在电解质中，则靠正离子和负离子同时导电。 2、简述半导体材料的分类。 答：对半导体材料可从不同的角度进行分类例如： 根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体； 根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体； 根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体， 但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依此可分为：元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大类。 3、化合物半导体和固溶体半导体有哪些区别。 答：由两个或两个以上的元素构成的具有足够的含量的固体溶液，如果具有半导体性质，就称为固溶半导体，简称固溶体或混晶。固溶半导体又区别于化合物半导体，因后者是靠其价键按一定化学配比所构成的。固溶体则在其固溶度范围内，其组成元素的含量可连续变化，其半导体及有关性质也随之变化。 4、简述半导体材料的电导率与载流子浓度和迁移率的关系。 答：s = nem 其中： n为载流子浓度，单位为个/cm3; e 为电子的电荷，单位为C（库仑），e对所有材料都是一样，e=1.6×10-19C 。 m为载流子的迁移率，它是在单位电场强度下载流子的运动速度，单位为cm2/V.s； 电导率s的单位为S/cm(S为西门子）。 5、简述霍尔效应。 答：将一块矩形样品在一个方向通过电流，在与电流的垂直方向加上磁场(H)，那么在样品的第三个方向就可以出现电动势，称霍尔电动势，此效应称霍尔效应。 6、用能带理论阐述导体、半导体和绝缘体的机理。 答：按固体能带理论，物质的核外电子有不同的能量。根据核外电子能级的不同，把它们的能级划分为三种能带：导带、禁带和价带（满带）。 在禁带里，是不允许有电子存在的。禁带把导带和价带分开，对于导体，它的大量电子处于导带，能自由移动。在电场作用下，成为载流子。因此，导体载流子的浓度很大。 对绝缘体和半导体，它的电子大多数都处于价带，不能自由移动。但在热、光等外界因素的作用下，可以使少量价带中的电子越过禁带，跃迁到导带上去成为载流子。 绝缘体和半导体的区别主要是禁的宽度不同。半导体的禁带很窄，（一般低于3eV），绝缘体的禁带宽一些，电子的跃迁困难得多。因此，绝缘体的载流子的浓度很小。导电性能很弱。实际绝缘体里，导带里的电子

半导体物理学简答题及答案(精)

第一章 1.原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同, 原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同。答：原子中的电子是在原子核与电子库伦相互作用势的束缚作用下以电子云的形式存在，没有一个固定的轨道；而晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子，在晶体周期性势场中运动。当原子互相靠近结成固体时，各个原子的内层电子仍然组成围绕各原子核的封闭壳层,和孤立原子一样;然而，外层价电子则参与原子间的相互作用，应该把它们看成是属于整个固体的一种新的运动状态。组成晶体原子的外层电子共有化运动较强，其行为与自由电子相似，称为准自由电子，而内层电子共有化运动较弱，其行为与孤立原子的电子相似。2.描述半导体中电子运动为什么要引入"有效质量"的概念, 用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性。 答：引进有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用。惯性质量描述的是真空中的自由电子质量，而不能描述能带中不自由电子的运动，通常在晶体周期性势场作用下的电子惯性运动，成为有效质量3.一般来说, 对应于高能级的能带较宽,而禁带较窄,是否如此，为什么？ 答：不是，能级的宽窄取决于能带的疏密程度，能级越高能带越密，也就是越窄；而禁带的宽窄取决于掺杂的浓度，掺杂浓度高，禁带就会变窄，掺杂浓度低，禁带就比较宽。 4.有效质量对能带的宽度有什么影响，有人说:"有效质量愈大,能量密度也愈大,因而能带愈窄.是否如此，为什么？ 答：有效质量与能量函数对于K的二次微商成反比，对宽窄不同的各个能带，1（k）随k的变化情况不同，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大，内层电子的能带窄，有效质量大；外层电子的能带宽，有效质量小。 5.简述有效质量与能带结构的关系；答：能带越窄，有效质量越大，能带越宽，有效质量越小。 6.从能带底到能带顶,晶体中电子的有效质量将如何变化？外场对电子的作用效果有什么不同； 答：在能带底附近，电子的有效质量是正值，在能带顶附近，电子的有效质量是负值。在外电F作用下，电子的波失K不断改变，f=h(dk/dt,其变化率与外力成正比，因为电子的速度与k有关，既然k状态不断变化，则电子的速度必然不断变化。 7.以硅的本征激发为例,说明半导体能带图的物理意义及其与硅晶格结构的联系，为什么电子从其价键上挣脱出来所需的最小能量就是半导体的禁带宽度? 答：沿不同的晶向，能量带隙不一样。因为电子要摆脱束缚就能从价带跃迁到导带，这个时候的能量就是最小能量，也就是禁带宽度。

半导体器件导论_4

《半导体器件导论》 第4章载流子输运和过剩载流子现象 例4.1 计算给定电场强度下半导体的漂移电流密度。T＝300K时，硅的掺杂浓度为N d＝106cm，N a＝0。电子和空穴的迁移率参见表4.1。若外加电场强度ε＝35V cm ?，求漂移电流密度。 【解】 因为N d＞N a，所以在室温下，半导体是n型的。若假设掺入杂质完全电离，则 n≈N d=1016cm?3 少数载流子空穴的浓度为 P=n i 2 n =(1.5×1010) 2 1016 =2.25×104cm?3 既然n?p，漂移电流密度 J drf=e(μn n+μp p)ε≈eμn nε 因此 J drf=(1.6×10?19)(1350)(1016)(35)=75.6A cm2 ? 【说明】 在半导体上施加较小的电场就能获得显著的漂移电流密度。这个结果意味着非常小的半导体器件就能产生mA量级的电流。 例4.2 确定硅在不同温度下的电子和空穴迁移率。利用图4.2分别求出以下两种情况载流随机热速度增加子的迁移率。 (a) 确定(i)N d＝1017cm?3，Τ＝150℃及（ii）N d＝1016cm?3，Τ＝0℃时的电子迁移率。 (b) 确定(i)N a＝1016cm?3，Τ＝50℃及（ii）N a＝1016cm?3，Τ＝150℃时的空穴迁移率。【解】 由图4.2可知： （a）（i）当N d＝1017cm?3，Τ＝150℃时，电子迁移率μn≈500cm2V?s ?； （ii）当N d＝1016cm?3，Τ＝0℃时，电子迁移率μn≈1500cm2V?s ?。 （b）（i）当N a＝1016cm?3，Τ＝50℃时，空穴迁移率μp≈380cm2V?s ?； （i）当N a＝1017cm?3，Τ＝150℃时，空穴迁移率μp≈200cm2V?s ?。 【说明】 由本例可见，迁移率随温度升高而降低。 例4.3 为了制备具有特定电流—电压特性的半导体电阻器，试确定硅在300K时的掺杂浓度。考虑一均匀受主掺杂的条形硅半导体，其几何结构如图4.5所示。若外加偏压为5V时，电流为2mA，且电流密度不大于J drf＝100A cm2 ?。试确定满足条件的截面积、长度及掺杂浓度。 图4.6 硅中电子浓度和电导率与温度倒数的关系曲线（引自S ze[14]） 【解】 所需截面积为

半导体材料的发展现状与趋势

半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代，并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。 一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势 1.硅单晶材料 硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路，其中有90％到95％都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展，还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的，它用石墨作为加热器。所以，来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染，使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染，随着硅单晶直径的增大，长度的加长，它的分布也变得不均匀；这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀，会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧，在器件和电路的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，它有着很好的应用前景。当然还有以硅材料为基础的SOI材料，也就是半导体/氧化物/绝缘体之意，这种材料在空间得到了广泛的应用。总之，从提高集成电路的成品率，降低成本来看的话，增大硅单晶的直径，仍然是一个大趋势；因为，只有材料的直径增大，电路的成本才会下降。我们知道硅技术有个摩尔定律，每隔18个月它的集成度就翻一番，它的价格就掉一半，价格下降是同硅的直径的增大密切相关的。在一个大圆片上跟一个小圆片上，工艺加工条件相同，但出的芯片数量则不同；所以说，增大硅的直径，仍然是硅单晶材料发展的一个大趋势。那我们从提高硅的

半导体材料的发展现状与趋势

半导体材料的发展现状与趋势

半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs 等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构

的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，

(新)半导体材料发展现状及趋势 李霄 1111044081

序号：3 半导体材料的发展现状及趋势 姓名：李霄 学号：1111044081 班级：电科1103 科目：微电子设计导论 二〇一三年12 月23 日

半导体材料的发展进展近况及趋向 引言：随着全球科技的飞速发展成长，半导体材料在科技进展中的首要性毋庸置疑，半导体的发展进展历史很短，但半导体材料彻底改变了我们的生活，从半导体材料的发展历程、半导体材料的特性、半导体材料的种类、半导体材料的制备、半导体材料的发展。从中我们可以感悟到半导体材料的重要性 关键词：半导体、半导体材料。 一、半导体材料的进展历程 20世纪50年代，锗在半导体产业中占主导位置，但锗半导体器件的耐高温和辐射性能机能较差，到20世纪60年代后期逐步被硅材料代替。用硅制作的半导体器件，耐高温和抗辐射机能较好，非常适合制作大功率器件。因而，硅已经成为运用最多的一种半导体材料，现在的集成电路多半是用硅材料制作的。二是化合物半导体，它是由两种或者两种以上的元素化合而成的半导体材料。它的种类不少，主要的有砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、锑化铟(InSb)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、硫化镉(CdS)等。此中砷化镓是除了硅以外研讨最深切、运用最普遍的半导体材料。氮化镓可以与氮化铟（Eg＝1.9eV）、氮化铝（Eg＝6.2eV）构成合金InGaN、AlGaN，如许可以调制禁带宽度，进而调理发光管、激光管等的波长。三是非晶半导体。上面介绍的都是拥有晶格构造的半导体材料，在这些材料中原子布列拥有对称性和周期性。但是，一些不拥有长程有序的无定形固体也拥有显著的半导体特征。非晶半导体的种类繁多，大体上也可按晶态物质的归类方式来分类。从现在}研讨的深度来看，很有适用价值的非晶半导体材料首推氢化非晶硅（α－SiH）及其合金材料（α－SiC:H、α－SiN:H），可以用于低本钱太阳能电池和静电光敏感材料。非晶Se（α－Se）、硫系玻璃及氧化物玻璃等非晶半导体在传感器、开关电路及信息存储方面也有普遍的运用远景。四是有机半导体，比方芳香族有机化合物就拥有典范的半导体特征。有机半导体的电导特征研讨可能对于生物体内的基础物理历程研究起着重大推进作用，是半导体研讨的一个热点领域，此中有机发光二极管（OLED）的研讨尤为受到人们的看重。 二、半导体材料的特性 半导体材料是常温下导电性介于导电材料以及绝缘材料之间的一类功效材

半导体导论翻译(精)

半导体导论翻译(精)

半导体导论 P124-125 CHAPTER 3 The Semiconductor in Equilibrium (d) T = 400 K, N d = 0, N a = 1014 cm-3 (e) T = 500 K, N d = 1014 cm-3, Na = 0 3.37 Repeat problem 3.36 for GaAs. 3.38 Assume that silicon, germanium, and gallium arsenide each have dopant concentrations of Nd = 1X1013 cm-3 and Na = 2.5 x 1014 cm-3 at T=300K.For each of the three materials(a) Is this material n type or p type?(b) Calculate n0 and p0. 3.39 A sample of silicon at T =450K is doped with boron at a concentration 0f 1.5x1015cm-3and with arsenic at a concentration of 8 X 1014cm-3 .(a) Is the material n type or p type? (b) Determine the electron and hole concentrations .(c) Calculate the total ionized impurity concentration. 3.40 The thermal equilibrium hole concentration in silicon at T = 300 K is p0=2x1015 cm-3 .Determine the thermal-equilibrium electron concentration .Is the material n type or p type? 3.41 In a sample of GaAs at T = 200 K, we have experimentally determined that n0 = 5 p0 and that Na = 0. Calculate n0, p0, and N d. 3.42 Consider a sample of silicon doped at N d = 1014 cm-3 and Na = 0 Calcu1ate the majority-carrier concentration at (a) T = 300 K, (b) T = 350 K,(C ) T = 400 K (d) T = 450 K, and (e) T = 500 K. 3.43 Consider a sample of silicon doped at N d = 0 and Na = 1014 cm-3 .Plot the majority-carrier concentration versus temperature over the range 200≤T≤500K. 3.44 The temperature of a sample of silicon is T = 300 K and the acceptor doping concentration is Na = 0. Plot the minority-carrier concentration (on a log-log plot) versus Nd over the range 1015≤N d≤1018 cm-3. 3.45 Repeat problem 3.44 for GaAs. 3.46 A particular semiconductor material is doped at N d = 2 x 1013 cm-3, Na = 0, and the intrinsic carrier concentration is ni = 2 x 1013cm-3. Assume complete ionization. Determine the thermal-equilibrium majority-and minority-carrier concentrations. 3.47 (a) Silicon at T = 300 K is uniformly doped with arsenic atoms at a concentration of 2 x 1016cm-3and boron atoms at a concentration of 1 x1013 cm-3. Determine the thermal-equilibrium concentrations of majority and

半导体材料文献综述

姓名：高东阳 学号：1511090121 学院：化工与材料学院专业：化学工程与工艺班级：B0901 指导教师：张芳 日期： 2011 年12月 7日

半导体材料的研究综述 高东阳辽东学院B0901 118003 摘要：半导体材料的价值在于它的光学、电学特性可充分应用与器件。随着社会的进步和现代科学技术的发展，半导体材料越来越多的与现代高科技相结合，其产品更好的服务于人类，改变着人类的生活及生产。文章从半导体材料基本概念的界定、半导体材料产业的发展现状、半导体材料未来发展趋势等方面对我国近十年针对此问题的研究进行了综述，希望能引起全社会的关注和重视。 关键词：半导体材料，研究，综述 20世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；20世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。彻底改变人们的生活方式。在此笔者主要针对半导体材料产业的发展、半导体材料的未来发展趋势等进行综述，希望引起社会的关注，并提出了切实可行的建议。 一、关于半导体材料基础材料概念界定的研究 陈良惠指出自然界的物质、材料按导电能力大小可分为导体、半导体、和绝缘体三大类。半导体的电导率在10-3～ 109欧·厘米范围。在一般情况下，半导体电导率随温度的升高而增大，这与金属导体恰好相反。凡具有上述两种特征的材料都可归入半导体材料的范围。[1] 半导体材料（semiconductormaterial）是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。[2]随着社会的进步以及科学技术的发展，对于半导体材料的界定会越来越精确。 二、关于半导体材料产业的发展现状及解决对策的分析 王占国指出中国半导体产业市场需求强劲，市场规模的增速远高于全球平均水平。不过，产业规模的扩大和市场的繁荣并不表明国内企业分得的份额更大。相反，中国的半导体市场正日益成为外资公司的乐土。[3]

半导体材料研究的新进展

半导体材料研究的新进展 作者简介王占国，1938年生，半导体材料物理学家，中科学院院士。现任中科院 半导体所研究员、半导体材料科学重点实验室学委会主任和多个国际会议顾问委员会 委员。主要从事半导体材料和材料物理研究，在半导体深能级物理和光谱物理研究， 半导体低维结构生长、性质和量子器件研制等方面，取得多项成果。先后获国家自然 科学二等奖、国家科技进步三等奖，中科院自然科学一等奖和科技进步一、二和三等 奖及何梁何利科技进步奖等多项，在国内外学术刊物和国际会议发表论文180多篇， 被引用数百次。摘要本文重点对半导体硅材料，GaAs和InP单晶材料，半导体超晶格、量子阱材料，一维量子线、零维量子点半导体微结构材料，宽带隙半导体材料，光子 晶体材料，量子比特构建与材料等目前达到的水平和器件应用概况及其发展趋势作了 概述。最后，提出了发展我国半导体材料的建议。关键词半导体材料量子线量子点材 料光子晶体1半导体材料的战略地位上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其 硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人 类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功， 彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水 平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、 经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。2几种主要半导体材料的发 展现状与趋势2.1硅材料从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（Z－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后Z－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300）硅片的集成电 路（I’s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300，0．18μ工艺的硅 ULSI生产线已经投入生产，300,0．13μ工艺生产线也将在2003年完成评估。18英 寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单 晶研制也正在积极筹划中。从进一步提高硅I’S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SI材料，包括智能剥离（Sartut）和SIX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和 SI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。理论分析指出30n左右将是硅S集

院士讲材料——半导体材料的发展现状与趋势汇总

主持人： 观众朋友，欢迎您来到CETV学术报告厅，最近美国的一家公司生产出一千兆的芯片，它是超微技术发展史上的一个分水岭，个人电脑业的发展，也将步入一个新的历史阶段，对整个信息业来说，它的意义不亚于飞行速度突破音速的极限，当然整个技术上的突破，也要依赖于以硅材料为基础的大规模集成电路的进一步微型化，50年代以来，随着半导体材料的发现与晶体管的发明，以硅为主的半导体材料，成为整个信息社会的支柱，成为微电子、光电子等高技术产业的核心与基础，这个情况，将会持续到下个世纪的中叶，当然，面对更大信息量的需求，硅电子技术也有它的极限，将会出现新的、替补性的半导体材料。关于半导体材料的发展现状与发展趋势，请您收看中国科学院王占国院士的学术报告。 王占国： 材料已经成为人类历史发展的里程碑，从本世纪的中期开始，硅材料的发现和硅晶体管的发明以及五十年代初期的以硅为基的集成电路的发展，导致了电子工业大革命。今天，因特网、计算机的到户，这与微电子技术的发展是密不可分的，也就是说以硅为基础的微电子技术的发展，彻底地改变了世界的政治、经济的格局，也改变着整个世界军事对抗的形式，同时也深刻影响着人们的生活方式。今天如果没有了计算机，没有了网络，没有了通信，世界会是什么样子，那是可想而知的。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs 等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。 70年代超晶格概念的提出，新的生长设备，像分子束外延和金属有机化合物化学汽相淀积等技术的发展，以及超晶格、量子阱材料的研制成功，使半导体材料和器件的设计思想发生了彻底的改变。就硅基材料的器件和电路而言，它是靠P型与N型掺杂和PN结技术来制备二极管、晶体管和集成电路的。然而基于超晶格、量子阱材料的器件和电路的性质，则不依赖于杂质行为，而是由能带工程设计决定的。也就是说，材料和器件的光学与电学性质，可以通过能带的设计来实现。设计思想从杂质工程发展到能带工程，以及建立在超晶格、量子阱等半导体微结构材料基础上的新型量子器件，极有可能引发新的技术革命。从微电子技术短短50年的发展历史来看，半导体材料的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。 现在，我来讲一讲几种重要的半导体材料的发展现状与趋势。我们首先来介绍硅单晶材料。硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路，其中有90％到95％都是用硅材料来制作的。根据预测，到2000年底，它的规模将达到60多亿平方英寸，整个硅单晶材料的产量将达到1万吨以上。目前，8英寸的硅片，已大规模地应用于集成电路的生产。到2000年底，或者稍晚一点，这个预计可能会与现在的情况稍微有点不同，有可能完成由8英寸到12英寸的过渡。预计到2007年前后，18英寸的硅片将投入生产。我们知道，直径18英寸相当于45厘米，一个长1米的晶锭就有几百公斤重。那么随着硅单晶材料的进一步发展，是不是存在着一些问题亟待解决呢？我们知道硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的，它用石墨作为加热器。所以，来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染，使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染，随着硅单晶直径的增大，长度的加长，它的分布也变得不均匀；这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀，会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧，在器件和电路的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂