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關鍵詞：半導體，超晶格，集成電路，電子器件
1.半導體材料的概念與特性
當今，以半導體材料為芯片的各種產品普遍進入人們的生活，如電視機，電子計算機，電子表，半導體收音機等都已經成為我們日常所不可缺少的家用電器。半導體材料為什么在今天擁有如此巨大的作用，這需要我們從了解半導體材料的概念和特性開始。
半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的一類物質，在某些情形下具有導體的性質。半導體材料廣泛的應用源于它們獨特的性質。首先，一般的半導體材料的電導率隨溫度的升高迅速增大，各種熱敏電阻的開發就是利用了這個特性；其次，雜質參入對半導體的性質起著決定性的作用，它們可使半導體的特性多樣化，使得PN結形成，進而制作出各種二極管和三極管；再次，半導體的電學性質會因光照引起變化，光敏電阻隨之誕生；一些半導體具有較強的溫差效應，可以利用它制作半導體制冷器等；半導體基片可以實現元器件集中制作在一個芯片上，于是產生了各種規模的集成電路。這種種特性使得半導體獲得各種各樣的用途，在科技的發展和人們的生活中都起到十分重要的作用。
2.半導體材料的發展歷程
半導體材料從發現到發展，從使用到創新，也擁有著一段長久的歷史。在20世紀初期，就曾出現過點接觸礦石檢波器。1930年，氧化亞銅整流器制造成功并得到廣泛應用，使半導體材料開始受到重視。1947年鍺點接觸三極管制成，成為半導體的研究得到重大突破。50年代末，薄膜生長技術的開發和集成電路的發明，使得微電子技術得到進一步發展。60年代，砷化鎵材料制成半導體激光器，固溶體半導體材料在紅外線方面的研究發展，半導體材料的應用得到擴展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研究成功，使得半導體器件的設計與制造從“雜志工程”發展到“能帶工程”，將半導體材料的研究和應用推向了一個新的領域。90年代以來隨著移動通信技術的飛速發展，砷化鎵和磷化銦等半導體材料得成為焦點，用于制作高速、高頻、大功率及發光電子器件等；近些年，新型半導體材料的研究得到突破，以氮化鎵為代表的先進半導體材料開始體現出其超強優越性，被稱為IT產業新的發動機。
3.各類半導體材料的介紹與應用
半導體材料多種多樣，要對其進一步的學習，我們需要從不同的類別來認識和探究。通常半導體材料分為：元素半導體、化合物半導體、固溶體半導體、非晶半導體、有機半導體、超晶格半導體材料。不同的半導體材料擁有著獨自的特點，在它們適用的領域都起到重要的作用。
3.1元素半導體材料
元素半導體材料是指由單一元素構成的具有半導體性質的材料，分布于元素周期表三至五族元素之中，以硅和鍺為典型。硅在在地殼中的含量較為豐富，約占25%，僅次于氧氣。硅在當前的應用相當廣泛，它不僅是半導體集成電路、半導體器件和硅太陽能電池的基礎材料，而且用半導體制作的電子器件和產品已經大范圍的進入到人們的生活，人們的家用電器中所用到的電子器件80%以上元件都離不開硅材料。鍺是稀有元素，地殼中的含量較少，由于鍺的特有性質，使得它的應用主要集中于制作各種二極管，三極管等。而以鍺制作的其他器件如探測器，也具備著許多的優點，廣泛的應用于多個領域。
3.2化合物半導體材料
通常所說的化合物半導體多指晶態無機化合物半導體，即是指由兩種或兩種以上元素確定的原子配比形成的化合物，并具有確定的禁帶寬度和能帶結構的半導體性質。化合物半導體材料種類繁多，按元素在元素周期表族來分類，分為三五族（如砷化鎵、磷化銦等），二六族（如硒化鋅），四四族（如碳化硅）等。如今化合物半導體材料已經在太陽能電池、光電器件、超高速器件、微波等領域占據重要的位置，且不同種類具有不同的性質，也得到不同的應用。。
3.3固溶體半導體材料
固溶體半導體材料是某些元素半導體或者化合物半導體相互溶解而形成的一種具有半導體性質的固態溶液材料，又稱為混晶體半導體或者合金半導體。隨著每種成分在固溶體中所占百分比（X值）在一定范圍內連續地改變，固溶體半導體材料的各種性質（尤其是禁帶寬度）將會連續地改變，但這種變化不會引起原來半導體材料的晶格發生變化.利用固溶體半導體這種特性可以得到多種性能的材料。
3.4非晶半導體材料
非晶半導體材料是具有半導體特性的非晶體組成的材料，如α-硅、α-鍺、α-砷化鎵、α-硫化砷、α-硒等。。這類材料，原子排列短程有序，長程無序，又稱無定形半導體，部分稱作玻璃半導體。非晶半導體按鍵合力的性質分為共價鍵非晶半導體和離子鍵非晶半導體兩類，可用液相快冷方法和真空蒸發或濺射的方法制備。在工業上，非晶半導體材料主要用于制備像傳感器、太陽能電池薄膜晶體管等非晶半導體器件。
3.5有機半導體材料
有機半導體是導電能力介于金屬和絕緣體之間，具有熱激活電導率且電導率在10-10～100S·cm的負一次方范圍內的有機物，如萘蒽、聚丙烯和聚二乙烯苯以及堿金屬和蒽的絡合物等.其中聚丙烯腈等有機高分子半導體又稱塑料半導體。有機半導體可分為有機物、聚合物和給體-受體絡合物三類。相比于硅電子產品，有機半導體芯片等產品的生產能力較差，但是擁有加工處理更方便、結實耐用、成本低廉的獨特優點。目前，有機半導體材料及器件已廣泛應用于手機，筆記本電腦，數碼相機，有機太陽能電池等方面。
3.6超晶格微結構半導體材料
超晶格微結構半導體材料是指按所需特性設計的能帶結構，用分子束外延或金屬有機化學氣相沉積等超薄層生產技術制造出來的具有各種特異性能的超薄膜多層結構材料。由于載流子在超晶格微結構半導體中的特殊運動，使得其出現許多新的物理特性并以此開發了新一代半導體技術。。當前，對超晶格微結構半導體材料的研究和應用依然在研究之中，它的發展將不斷推動許多領域的提高和進步。
4.半導體材料的發展方向
隨著信息技術的快速發展和各種電子器件、產品等要求不斷的提高，半導體材料在未來的發展中依然起著重要的作用。在經過以Si、GaAs為代表的第一代、第二代半導體材料發展歷程后，第三代半導體材料的成為了當前的研究熱點。我們應當在兼顧第一代和第二代半導體發展的同時，加速發展第三代半導體材料。目前的半導體材料整體朝著高完整性、高均勻性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向邁進。隨著微電子時代向光電子時代逐漸過渡，我們需要進一步提高半導體技術和產業的研究，開創出半導體材料的新領域。相信不久的將來，通過各種半導體材料的不斷探究和應用，我們的科技、產品、生活等方面定能得到巨大的提高和發展！
參考文獻
[1]沈能玨,孫同年,余聲明,張臣.現代電子材料技術.信息裝備的基石[M].北京：國防工業出版社,2002.
[2]靳曉宇.半導體材料的應用與發展研究[J].大眾商務,2009,(102).
[3]彭杰.淺析幾種半導體材料的應用與發展[J].硅谷, 2008,(10).
[4]半導體技術天地.2ic.cn/html/bbs.html.
關鍵詞半導體；材料；芯片；發展；應用；技術；
中圖分類號：O471 文獻標識碼：A 文章編號：
引言
自然界中的物質，根據其導電性能的差異可劃分為導電性能良好的導體（如銀、銅、鐵等）、幾乎不能導電的絕緣體（如橡膠、陶瓷、塑料等）和半導體（如鍺、硅、砷化鎵等）。半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的一種物質。它的導電能力會隨溫度、光照及摻入雜質的不同而顯著變化，特別是摻雜可以改變半導體的導電能力和導電類型，這是其廣泛應用于制造各種電子元器件和集成電路的基本依據。
一、半導體材料的概念與特性
當今，以半導體材料為芯片的各種產品普遍進入人們的生活，如電視機，電子計算機，電子表，半導體收音機等都已經成為我們日常所不可缺少的家用電器。 半導體材料為什么在今天擁有如此巨大的作用， 這需要我們從了解半導體材料的概念和特性開始。
半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的一類物質，在某些情形下具有導體的性質。 半導體材料廣泛的應用源于它們獨特的性質。 首先，一般的半導體材料的電導率隨溫度的升高迅速增大，各種熱敏電阻的開發就是利用了這個特性；其次，雜質參入對半導體的性質起著決定性的作用，它們可使半導體的特性多樣化，使得 PN 結形成，進而制作出各種二極管和三極管；再次，半導體的電學性質會因光照引起變化，光敏電阻隨之誕生；一些半導體具有較強的溫差效應，可以利用它制作半導體制冷器等； 半導體基片可以實現元器件集中制作在一個芯片上，于是產生了各種規模的集成電路。 這種種特性使得半導體獲得各種各樣的用途， 在科技的發展和人們的生活中都起到十分重要的作用。
二、幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢
（一）硅材料
硅材料是半導體中應用廣泛的一類材料，目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現大規模工業生產，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC's）技術正處在由實驗室向工業生產轉變中。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。
從進一步提高硅IC'S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smart cut）和SIMOX材料等也發展很快。目前，直徑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開發中。
（二）GaAs和InP單晶材料
GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優勢。
（三）半導體超晶格、量子阱材料
半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態量子器件的基礎材料。GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發光器件和有關納米硅的Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。我國早在1999年，就研制成功980nm InGaAs帶間量子級聯激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質量的新型激光器，在未來光通信、光互聯與光電信息處理方面有著良好的應用前景。
（四）一維量子線、零維量子點半導體微結構材料
基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發展與應用，極有可能觸發新的技術革命。
目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個比較成熟的材料體系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP,InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμ蘭左右，單管室溫連續輸出功率高達3．6～4W。1.5 寬帶隙半導體材料寬帶隙半導體材料主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發光二極管（LED)和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發光材料的研究熱點。
三、半導體材料發展的幾點建議
GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產能力。相信在國家各部委的統一組織、領導下，并爭取企業介入，建立我國自己的研究、開發和生產聯合體，取各家之長，分工協作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產能力，以滿足我國不斷發展的微電子和光電子工業的需求。到2010年，應當實現4英寸GaAs生產線的國產化，并具有滿足6英寸線的供片能力。發展超晶格、量子阱和一維、零維半導體微結構材料。
（一）超晶格、量子阱材料
從目前我國國力和我們已有的基礎出發，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產的工業型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP,GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內2、3和4英寸GaAs生產線所需要的異質結材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結構材料的生產能力。達到本世紀初的國際水平。
寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優布點，分別做好研究與開發工作。
（二）一維和零維半導體材料的發展設想
基于低維半導體微結構材料的固態納米量子器件，目前雖然仍處在預研階段，但極其重要，極有可能觸發微電子、光電子技術新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結構材料生長和納米加工技術的進步，而納米結構材料的質量又很大程度上取決于生長和制備技術的水平。因而，集中人力、物力建設我國自己的納米科學與技術研究發展中心就成為了成敗的關鍵。具體目標是，“十五”末，在半導體量子線、量子點材料制備，量子器件研制和系統集成等若干個重要研究方向接近當時的國際先進水平；2010年在有實用化前景的量子點激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發方面，達到國際先進水平，并在國際該領域占有一席之地。可以預料，它的實施必將極大地增強我國的經濟和國防實力。
結束語
隨著信息技術的快速發展和各種電子器件、 產品等要求不斷的提高， 半導體材料在未來的發展中依然起著重要的作用。 在經過以 Si、GaAs 為代表的第一代、第二代半導體材料發展歷程后，第三代半導體材料的成為了當前的研究熱點。 我們應當在兼顧第一代和第二代半導體發展的同時， 加速發展第三代半導體材料。 目前的半導體材料整體朝著高完整性、高均勻性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向邁進。 隨著微電子時代向光電子時代逐漸過渡， 我們需要進一步提高半導體技術和產業的研究，開創出半導體材料的新領域。 相信不久的將來，通過各種半導體材料的不斷探究和應用，我們的科技、產品、生活等方面定能得到巨大的提高和發展！
參考文獻
［1］沈能玨,孫同年,余聲明,張臣.現代電子材料技術.信息裝備的基石［M］.北京：國防工業出版社,2002.
［2］靳曉宇.半導體材料的應用與發展研究［J］.大眾商務,2009,(102).
［3］彭杰.淺析幾種半導體材料的應用與發展［J］.硅谷, 2008,(10).
與無機晶體管相比，有機薄膜晶體管具有下述主要優點:有機薄膜的成膜技術更多、更新，如Langmuir－Blodgett（LB）技術、分子自組裝技術、真空蒸鍍、噴墨打印等，從而使制作工藝簡單、多樣、成本低；器件的尺寸能做得更小，集成度更高，分子尺度的減小和集成度的提高意味著操作功率的減小以及運算速度的提高；以有機聚合物制成的晶體管，其電性能可通過對有機分子結構進行適當的修飾而得到滿意的結果；有機物易于獲得，有機場效應管的制作工藝也更為簡單，它并不要求嚴格的控制氣氛條件和苛刻的純度要求，因而能有效地降低器件的成本；全部由有機材料制備的所謂“全有機”的晶體管呈現出非常好的柔韌性，而且質量輕，攜帶方便。有研究表明，對器件進行適度的扭曲或彎曲，器件的電特性并沒有顯著的改變。良好的柔韌性進一步拓寬了有機晶體管的使用范圍。
OTFT的研究歷程
OTFT遷移率和開關電流比是其兩個重要的參數:晶體管的遷移率越大，實際運作速度越快;開關電流比越大，所驅動的器件的對比度越好。
1980年年初，人們將有機半導體聚噻吩引入晶體管中，開創了有機薄膜晶體管的研究。但令人遺憾的是當時器件的遷移率只有1×10-5 cm2/V•s，工作頻率只有1 Hz左右，開關電流比102～103。在近20年的研究過程中，為提高器件的載流子遷移率、工作頻率和降低驅動電壓，人們在尋找新的有機材料、改進器件結構和制備工藝等方面進行了大量的工作。
1997年，人們利用并五苯作為有機材料采用層積法制作的有機薄膜場晶體管的遷移率達到了0.7 cm2/V•s，開關電流比為1×108，這足以和無定形硅薄膜晶體管（遷移率0.5 cm2/V•s，開關電流比為1×108）相媲美。2000年，Bell實驗室的J.H.Schon等人利用并四苯單晶作有源層，利用雙場效應制成有機電注入激光器，在室溫下器件的載流子遷移率達到2 cm2/V•s，低溫下可達到1×103～1×105 cm2/V•s，開辟了新的有機器件的研究領域。2001年，貝爾實驗室的科學家利用高純的并五苯單晶使載流子遷移率達到3.2 cm2/V•s，開關電流比達到1×109，工作頻率達到700 kHz～11 MHz。
聚合物材料中，六噻吩是目前發現的遷移率最高的有機材料，利用做有機半導體制作的OTFT中，電子和空穴的遷移率分別達到0.7 cm2/V•s和1.1 cm2/V•s。1994年，利用打印法制備了全聚合物的OTFT，得到的晶體管載流子遷移率達到0.06 cm2/V•s，為OTFT的廉價和大面積制備打下了基礎。最近，劍橋大學和愛普生公司利用噴墨打印法，采用由于親水性和疏水性而產生自組織化特性的聚合物P3HT制成晶體管，器件的電極都為高分子材料，溝道長度達5～10 mm，載流子遷移率達到0.02～0.1 cm2/V•s，開關電流比達到1×105，工作頻率達到250 Hz。這使得有機薄膜場效應晶體管的低成本、批量生產成為可能。目前，器件的載流子遷移率可達到1 cm2/V•s，開關電流比達到1×107。
OTFT的制作工藝
從制作方式來區分，OTFT有真空沉淀和溶液處理兩種方式。
真空沉淀技術一般用于有機小分子材料，經常使用的方法有兩種：一種是熱蒸鍍；另一種是氣相沉淀。其中，熱蒸鍍是將有機材料置于坩鍋中，加熱至材料的升華溫度，使得材料在基板上沉淀。利用真空蒸鍍制備有機器件是目前最廣泛使用的工藝。有機材料的純度對于晶體的生長有相當大的影響，為了提高純度，可以使用熱梯度法。
而氣相沉淀與熱蒸鍍最大的差別在于利用惰性氣體為媒介氣體，將有機蒸汽帶到基板上。并且基板擺放也與熱蒸鍍相反，基板位于腔體下方，有機蒸汽經過蒸汽噴頭由下而上至基板。
溶液處理方式可用于聚合物和可溶解的有機小分子，包括旋轉涂布和噴墨打印等方法。旋轉噴涂是將有機材料溶于有機溶劑，均勻地涂在基板上，經過高速旋轉形成有機薄膜。溶液的濃度和旋轉的速度影響有機薄膜的厚度和均勻性。印刷技術包括屏幕打印、噴墨打印和接觸打印等方法。國際上，已有多個實驗室用印刷技術制備有機薄膜晶體管，其中研制印刷用試劑是關鍵，各種有機半導體或絕緣體都可按某種花樣圖案，一層一層地印制在柔性襯底上，最后成為一個完整有機薄膜晶體管。目前，研究集中在打印技術方面，其線寬可小于1 μm。其中噴墨打印法就是像打印機打字一樣將有機打印到襯底材料上。用噴墨打印頭制備的有機晶體管陣列的級延遲小于40 μs，雖無法和硅器件相比，但已經取得了很大進展。這項技術的發展為大規模、大尺寸產品生產提供了工藝方法。
OTFT的材料
OTFT最關鍵的技術之一是有機半導體材料。有機薄膜晶體管對所用的有機半導體材料有著特殊的要求：高遷移率、低本征電導率。高遷移率是為了保證器件的開關速度，低本征電導率是為了盡可能地降低器件的漏電流，從而提高器件的開關比，增加器件的可靠性。
按照材料傳輸載流子電荷的不同，可分為N型半導體材料和P型半導體材料。N型半導體是指載流子電荷為負，即載流子為電子；P型半導體是指載流子電荷為正，即載流子為空穴。
目前用于有機薄膜晶體管的N型材料主要以富勒烯（C60）為代表。它的電荷遷移率遠高于其他N型材料，利用這種材料制備的有機薄膜晶體管的遷移率可以達到0.1 cm2/V•s，開關電流比超過105。其他材料有C70、 四羧酸類材料等，但性能并不理想。同時由于這類N型半導體材料對空氣和水比較敏感，所以制備的器件的性能不穩定。
多數有機材料都是P型半導體，包括金屬配合物、寡聚材料、聚合物。酞菁類化合物是制備OTFT最早使用的材料，也是常用材料之一。通過取代中間的金屬，可以得到各種配位化合物，所制備的器件的遷移率在10-4～10-2 cm2/V•s的范圍內。寡聚噻吩是寡聚材料的代表，在OTFT的研究中被大量使用，它可以通過調整分子的結構和長度來控制載流子的傳輸，也可以通過修飾分子以改善分子的連接形式。曾被使用過的材料有并四苯、并五苯、并六苯、紅熒烯和蒽等，其中并五苯所制作的器件的特性是現階段最優秀的，遷移率超過2 cm2/V•s，開關電流比達到108。聚合物也是較早使用在OTFT中的材料，包括聚吡咯、聚噻吩、聚苯酚、聚2,5噻吩乙炔等。第一個OTFT所用的半導體材料也是高分子半導體材料，但當時的載流子遷移率只有10-5 cm2/V•s。在人們的不斷改進下，聚合物器件性能不斷提高，目前利用聚合物半導體材料制備的OTFT的載流子遷移率達到了0.1 cm2/V•s。
除有機半導體材料外，絕緣層材料和電極也對OTFT的性能有重大影響。
由于半導體材料一般沉淀到絕緣層上，因此絕緣層表面的性質對半導體材料成膜的形貌和載流子傳輸都有重要的影響。按照材料的元素不同，可分為無機絕緣材料和有機絕緣材料。無機材料包括SiO2、SiNx、Al2O3等。與無機材料相比，有機絕緣材料具有工藝簡單、成本低廉、可制作在柔性基板上等優點，包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚酰亞胺（PI）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯基苯酚（PVP）等。對絕緣層表面進行加工和修飾也可以提高器件的性能。
選擇金屬電極材料的基本原則是電極可以與有機半導體形成很好的能級匹配。對于p型有機半導體材料，要求電極的功函數與材料的HOMO能級之間的勢壘較小；而對于n型材料，要求電極的功函數與材料的LOMO能級之間的勢壘較小，以減少因勢壘存在而導致器件性能下降，提高載流子的注入效率。常用電極材料有金屬的鋁、金、鉑、鉻、ITO、石墨等。
OTFT的發展方向
OTFT的研究已經廣泛地進行，但目前仍然存在許多缺點和問題：現有的關于半導體能帶理論是建立在無機材料的基礎上，對OTFT中一些現象無法給出合理的解釋。有機薄膜晶體管的開關速度不穩，在晶體管的內部可能發生擺動，從而使各種信息滯后。大多數有機材料的遷移率都很低，與無機多晶和單晶材料的遷移率相比要小得多，因而其導電性并不盡如人意。有機半導體材料大多數為p形材料，n型材料較少，類型過于單一，這也限制了有機晶體管的進一步發展。外界環境如水、氧以及光和溫度等，都對OTFT器件的穩定性有重大的影響，導致器件性能的衰減。
它具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導率、高電子密度、高遷移率等特點，可實現高壓、高溫、高頻、高抗輻射等能力。
它的應用范圍覆蓋半導體照明、新一代移動通信、智能電網、高速軌道交通、新能源汽車、消費類電子等朝陽領域。
它被視為未來支撐信息、能源、交通、國防等產業發展的重點新材料，將引領光電產業的新一輪革命。
它就是以碳化硅（SiC）、氮化鋁（AlN）、氮化鎵（GaN）等為代表的第三代半導體材料，如今世界各國爭相布局的戰略高地。
在世界范圍內，第三代半導體材料在各個領域的產業成熟度各有不同，在某些前沿研究方向，仍處于實驗室研發階段。盡管我國起步較晚，發展較緩，無論基礎研究還是產業化推進都仍有很長的路要走，但這并未影響該領域內科研人員潛心攻關、奮起直追的決心。
哈爾濱工業大學基礎與交叉科學研究院宋波教授，就是奮戰在我國第三代半導體材料研究最前沿的優秀科研人員之一。
他L期從事第三代寬禁帶半導體材料的生長與物性研究，凝練了氣相質量輸運動態平衡控制及溫場調控等關鍵科學問題，對碳化硅、氮化鋁等光電功能晶體生長過程的動力學優化、關鍵工藝參數控制與物理性質調控等相互關聯的科學問題開展了系統研究，成果頗豐。
雛鳳新聲，結緣寬禁帶半導體
一代材料，一代器件，一場革命。材料的重要性，在半導體產業已經得到印證。
以硅（Si）為代表的第一代半導體材料，引發了電子工業大革命；以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導體材料，則拓展了半導體在高頻、光電子等方面的應用，使人類進入光纖通信、移動通信的新時代。而如今，正是第三代半導體材料“大展身手”的時代。
第三代半導體材料又叫寬禁帶半導體，是指禁帶寬度大于2 eV（電子伏特）的一類半導體，以碳化硅、氮化鋁、氮化鎵、立方氮化硼（C-BN）等為主要代表。它們所表現出的高溫下的穩定性、高效的光電轉化能力、更低的能量損耗等絕對優勢，吸引了業界的普遍關注，有望全面取代傳統半導體材料，開啟半導體新時代。
宋波進入這一領域是在博士階段。那是2005年前后，他正就讀于中國科學院物理研究所，師從我國著名晶體結構專家陳小龍研究員開展研究。當時國內寬禁帶半導體研究起步不久，各項研究都非常薄弱。
2008年，宋波回到家鄉哈爾濱，并在哈爾濱工業大學韓杰才院士引薦下加入該校基礎與交叉科學研究院。在這里，宋波確立了寬禁帶半導體生長與物性研究這一研究方向，立志從基礎研究領域著手，改善我國關鍵性、基礎性戰略材料依賴進口的局面，促進寬禁帶半導體材料和器件產業的發展，提升產業核心競爭力，縮小與西方國家的差距。
在近十年的研究過程中，宋波作為課題負責人承擔了包括國家自然科學基金項目、總裝“十二五”預先研究重點項目、科技部國際科技合作項目等在內的20多項科研項目，在J. Am. Chem. Soc.， Nano Lett.， Phys. Rev. Lett.， Adv. Funct. Mater.， Phys. Rev. B等國際著名SCI學術雜志上100余篇，論文被正面他引1000余次；獲得授權發明專利13項。特別是在SiC基稀磁半導體和AIN基晶體生長研究方向，取得了一系列創新性成果，引領了國內外相關研究的進步，在行業內形成了一定的影響力。
層層深入，攻關SiC基稀磁半導體
稀磁半導體是自旋電子學的材料基礎，能夠同時利用電子的電荷屬性和自旋屬性，兼具半導體和磁性的性質，新穎而獨特，是第三代半導體材料的熱點研究之一。
現階段，GaAs、GaN和ZnO基稀磁半導體的研究已經取得了突破性進展，但仍無法滿足人們對自旋器件高溫、高頻、大功率和抗輻射等性能的要求，SiC基的出現恰逢其時。宋波在這一前沿方向進行了廣泛而深入的研究，并取得了系列研究進展。
他提出了非磁性元素Al摻雜制備SiC基稀磁半導體，在200 K觀察到了玻璃態的鐵磁有序，同時實現了4H-SiC晶型的穩定可控。首次提出了非磁性元素摻雜AlN基稀磁半導體的研究思路，有效地避免磁性雜質的引入，為探討稀磁半導體的磁性來源提供了理想的實驗體系。
論文在2009年發表后，至今已被他引50余次，得到不少業內專業人士的直接認可，認為其啟迪了思考。中國科學院外籍院士C.N.R. Rao教授就曾在論文中直言：宋等的工作顯示了鐵磁性不是來自磁性雜質而是來自于sp3雜化向sp3-sp2混合雜化轉變的過程中所導致。
隨著研究的不斷深入，宋波的研究也漸入佳境――
同樣在2009年，他利用在h-BN中的實驗結果證實了美國布法羅州立大學Peihong Zhang教授等人的理論預言，即在帶隙寬度達5.5 eV的h-BN中存在缺陷直接誘導的內稟磁性。這一成果獲得了包括波蘭科學院物理研究院O. Volnianska教授在內的業界專家的正面引用和廣泛認可。
2010年，他提出了雙元素（Al，TM）復合摻雜SiC基稀磁半導體的研究思路。在Al摻雜穩定4H-SiC晶型的基礎之上，同時摻雜磁性過渡金屬元素，來獲得高Tc、高矯頑力和高剩磁的稀磁半導體。
2011年，他提出了采用缺陷工程調控半導體磁性的新方向。與合作者一起采用中子輻照在碳化硅晶體中誘導出了以硅-碳雙空位為主的缺陷，在實驗上給出了硅-碳雙空位導致鐵磁性的證據，并從理論上揭示了雙空位產生磁性的物理機制，證實了磁性元素并非半導體磁性的唯一來源，為深入探究寬禁帶半導體的磁性起源提供了新的科學認識。在此之后，國內外有超過18個研究小組開展了缺陷誘導半導體磁性的研究工作，并在相關論文中引用了他們的成果，將其列為缺陷導致磁性的典型例子。
把握前沿，初探AIN晶體生長
AlN基的高溫、高頻、高功率微波器件是雷達、通信等現代化軍事和航天裝備等領域急需的電子器件。
宋波介紹，與其它的半導體材料相比，AlN基低維材料的形貌較為單一，這導致對其新性質和新應用的探索受到了較大的制約。
因此，深入開展生長動力學研究，探究生長過程中質量輸運-溫場分布-成核動力學的內在關聯，從微觀機理上闡述物性變化的原因，探索新奇物理效應，成為制約寬禁帶半導體發展的關鍵科學問題，同時也是一項亟待開展的基礎性研究工作。
在這一研究方向，宋波同樣取得了不俗的成績――
（一）在AlN機理生長方面，首次發現本征的六重螺旋生長機制。
他@得了單晶AlN納米和微米彈簧、AlN螺旋結構、AlN平面六邊形環等新穎納米結構，系統性研究首次發現AlN納米/微米結構和AlN單晶都遵循六重對稱的旋轉生長機制。
這一發現極大地豐富了人們對于AlN晶生長機理的認識，對調控AlN生長形貌，獲得大尺寸、低缺陷密度的AlN晶體具有重要參考價值。
（二）在AlN新物理性質探索方面，他首次在AlN微米螺旋結構中發現了時間長達300秒的長余輝效應。
研究中，他分別從理論和實驗上對AlN螺旋結構中氮空位和鋁間隙耦合效應進行了研究。首次發現氮空位和鋁間隙的共同作用會誘導出新的能級，進而導致長余輝效應的顯現。這一發現，豐富了人們對于AlN基本物理性質的認識，為設計和制造新型AlN基光電子器件提供理論指導。
在AlN納米線螺旋結構的力學測試中首次發現了AlN單晶螺旋中存在彈性形變。該發現為制備AlN基納米器件提供了進一步的認識。
（三）在AlN晶體生長方面，突破了多項關鍵技術，包括形核溫度控制技術、晶粒長大過程控制技術、形核控制技術等。
研究中，宋波掌握了包括電阻率及均勻性控制技術、多型缺陷濃度控制技術以及晶體質量穩定性控制技術等在內的多項關鍵技術，獲得了高質量的晶體材料。
他所獲得的直徑達35mm的雙面拋光片，位錯密度小于107個/cm2，申報了國家發明專利7項，研究水平居于國內領先地位。
他重新設計和研制了全鎢的晶體生長爐、AlN原料原位補充系統和垂直梯度坩堝。試驗結果表明，采用新的生長組合系統大大提高了AlN的晶體質量，其中AlN晶體的主要缺陷密度，特別是O（氧）含量降低了約3個數量級，電阻率提高了約2個數量級，為進一步獲得高質量的AlN晶體提供了技術支撐。
多年來，宋波非常在意與國際學者的交流與合作，不僅承擔了科技部國際科技合作項目，還在多年的研究中與美國威斯康星大學麥迪遜分校Song Jin教授、西班牙科爾多瓦大學Rafael Luque教授建立了廣泛的合作關系。特別值得一提的，是在對俄對烏合作方面，宋波與俄羅斯科學院固體物理研究所國際知名晶體學家Vladimir Kurlov教授、國際SiC晶體生長專家Yuri Makarov教授，以及俄羅斯科學院西伯利亞分院半導體研究所的Oleg Pchelyakov教授、Valerii Preobrazhenskii教授建立了密切的合作關系，曾多次出訪俄羅斯與烏克蘭相關科研機構，為推動雙方的科技交流合作作出了重要貢獻。
因表現突出，宋波獲得了2009年黑龍江省自然科學一等獎、2009年黑龍江省高校自然科學一等獎等榮譽；得到了教育部“新世紀優秀人才”計劃、哈爾濱工業大學“基礎研究杰出人才培育計劃（III類）”和“青年拔尖人才選聘計劃（教授類）”的支持；并在三年內連續兩次獲得副教授和教授的破格提升。2016年，宋波被評為哈爾濱工業大學“先進個人”。
英文名稱：Chinese Journal of Semiconductors
主管單位：中國科學院
主辦單位：中國科學院半導體研究所;中國電子學會
出版周期：月刊
出版地址：北京市
語
種：雙語
開
本：大16開
國際刊號：0253-4177
國內刊號：11-1870/TN
郵發代號：2-184
發行范圍：
創刊時間：2010
期刊收錄：
CA 化學文摘(美)(2009)
SA 科學文摘(英)(2009)
CBST 科學技術文獻速報(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)
EI 工程索引(美)(2009)
中國科學引文數據庫(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
中文核心期刊(1996)
中文核心期刊(1992)
期刊榮譽：
中科雙效期刊
聯系方式
在大家的不懈努力下，有機半導體技術和材料都取得了很大的發展，這個學科集合了材料學、物理和化學等等很多學科，是一個交叉學科，半導體技術正在不斷發展，將來還會以更快的速度發展。一些專家認為，有機半導體材料開發出的各種器件正在改變未來高科技的發展。
1 有機太陽電池
傳統的太陽電池是化合物薄膜太陽電池，而新型的太陽電池要采用新型的技術，有機太陽電池將作為一種新型產物擺在大家的面前，有機太陽電池的生產流程很簡單，而且可以通過講解來減少對環境的污染，由于這些優點符合當代社會的需要，所以有機太陽電池越來越受到大家的關注。如此廉價的太陽電池會讓世界的能源發生巨大的改變。有機太陽電池比傳統的電池更薄，重量更輕，受光面積在不斷增加，所以可以大大提高光電的使用效率，在電腦等小型設備當中可以當作電源來用。可以使用有機太陽電池作為OLED屏幕的電源，可以大大減少重量。雖然太陽電池很薄、很輕，也很有柔性，但是它的效率不高，而且壽命也比較短，通過研究，改變太陽電池的缺點，使得效率達到10%，壽命也可以超過5年。
2 有機半導體晶體管
有機半導體材料的晶體管是有機電子器件當中很重要的一種器件，比如OFET。當前OFET的技術主要有聚合物、小分子蒸發或者是小分子溶液鑄模等等。OFET的優點是成本低、柔性大等等，有很好的發展前景。OFET的發展很迅速，無論是材料還是制備工藝方面都有了突破，它可以使OLED發光，形成邏輯電路，發光場效應晶體管以及單晶場效應晶體管等等器件都已經開發出來。世界各個國家都在研究有機半導體晶體管，2009年，日本的專家使用液相外延工藝生產了并五苯單晶，幾乎是沒有任何缺陷的，之后使用這種單晶制成了OFET，場效應的遷移率可以得到0.6cm2/（V.s）。2010年法國研究人員研究出一種能夠模仿神經元突觸功能的有機存儲場效應晶體管，有機半導體晶體管會有希望成為新一代集成電子器件。
3 OLED技術
與LCD技術比較，OLED不僅可以做到折疊和隨身攜帶，還具有更好的可適度、更好的圖像質量以及更薄的顯示器。現在OLED已經開始應用到手機、以及數碼相機等小型設備當中。當前在OLED顯示器開發的市場當中占有很大優勢的企業有三星、LG以及柯達等等。2010年初，三星展出了OLED筆記本電腦，還推出了帶有OLED平面的MP3播放器。預計未來五年智能手機會促使OLED顯示器呈現出快速發展的勢頭。隨著OLED技術的快速發展，未來很可能會應用到顯示器、照明當中。由于OLED的刷新速率很高，這使得視頻圖像更加逼真，還可以隨時進行圖像的更新。未來的報紙也有可能成為OLED顯示器，能夠更新新聞，還能夠卷起來。有機半導體技術已經在很多領域都占有自己的重要位置，很多企業已經開始開發半導體技術的產品。使用OLED技術的玻璃窗在電源關閉的時候和普通的玻璃沒區別，但是在接通電源之后就會變成顯示器。使用OLED技術的汽車擋風玻璃也不僅僅是擋風，還能夠提供其它的幫助。
有機半導體材料作為一種新型材料，經過不斷開發和研究，已經進入商品化的階段，并且會有很好的發展。有機半導體器件成本低，操作流程簡單，而且功耗小，這是很多無機半導體器件沒有的特點，所以有機半導體器件有很大的發展。但是有機半導體器件在壽命已經性能方面還需要改進。喲及半導體器件的速度比較慢，這使得它取代傳統的半導體的可能性不大，所以在這方面需要解決，但是有機半導體更加經濟，成本更低，值得推廣。
參考文獻
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關鍵詞：量子點 發光 量子點尺寸效應
近幾年來，寬禁帶半導體發光材料引起人們極大的興趣，是因為這些材料在藍光及紫外光發光二極管、半導體激光器和紫外光探測器上有重要的應用價值。這些器件在光信息存儲、全色顯示和紫外光探測上有巨大的市場需求，人們已經制造出III族氮化物和ZnSe等藍光材料，并用這些材料制成了高效率的藍光發光二極管和激光器，這使全色顯示成為可能。量子點（QuantumDot）憑借自身獨特的光電特性越來越受到人們的重視，成為研究的熱點。
由于量子點所具有的量子尺寸、量子隧穿、庫侖阻塞、量子干涉、多體關聯和非線性光學效應非常明顯，故在低維量子結構的研究中，對載流子施以盡可能多的空間限制，制備零維量子點結構并開發其應用，受到世界各國科學家和企業家的高度重視。
1、半導體量子點的制備方法
高質量半導體量子點材料的制備是量子器件和電路應用的基礎，如何實現對無缺陷量子點的形狀、尺寸、面密度、體密度和空間分布有序性等的可控生長，一直是材料科學家追求的目標和關注的熱點。
應變自組裝量子點結構生長技術是指在半導體外延生長過程中，由于襯底和外延層的晶格失配及表面、界面能不同，導致外延層島狀生長而制得量子點的方法。這種生長模式被稱為SK生長模式。外延過程的初期為二維平面生長，平面生長厚度通常只有幾個原子層厚，稱為浸潤層。隨浸潤層厚度的增加，應變能不斷積累，當達到某一臨界層厚度時，外延生長則由二維平面生長向三維島狀生長過渡，由此形成直徑為幾十納米、高度為幾納米的小島，這種材料若用禁帶較寬的材料包圍起來，就形成量子點。用這種方法制備的量子點具有尺寸小、無損傷的優點。用這種方法已經制備出了高質量的GaN量子點激光器。
化學自組裝量子點制備方法是一種通過高分子偶聯劑將形成量子點的團簇或納米顆粒聯結起來，并沉積在基質材料上來制備量子點低維材料的方法。隨著人們對量子線、量子點制備和應用的迫切需求，以上物理制備方法顯得費時費力，特別是在批量制備時更是如此，化學自組裝為納米量子點的平面印刷和納米有機-無機超晶格的制備提供了可能。由于化學自組裝量子點的制備具有量子點均勻有序、制備速度快、重復性好等優點，且選用不同的偶聯劑可以對不同的量子點前驅顆粒進行不同對稱性的組裝，從而能制備出不同的量子點。它的出現為批量制備高功率半導體量子器件和激光器提供了一種有效的途徑，因此這種方法被認為是制備量子點最有前途的方法之一。
2、 II-VI族半導體量子點的發光原理和發光特性
2.1 發光原理
半導體量子點的發光原理（如圖1-1所示），當一束光照射到半導體材料上，半導體材料吸收光子后，其價帶上的電子躍遷到導帶，導帶上的電子還可以再躍遷回價帶而發射光子，也可以落入半導體材料的電子陷阱中。當電子落入較深的電子陷阱中的時候，絕大部分電子以非輻射的形式而猝滅了，只有極少數的電子以光子的形式躍遷回價帶或吸收一定能量后又躍遷回到導帶。因此當半導體材料的電子陷阱較深時，它的發光效率會明顯降低。
2.2 發光特性
由于受量子尺寸效應和介電限域效應的影響，半導體量子點顯示出獨特的發光特性。主要表現為：（1）半導體量子點的發光性質可以通過改變量子點的尺寸來加以調控；（2）半導體量子點具有較大的斯托克斯位移和較窄而且對稱的熒光譜峰（半高全寬只有40nm）；（3）半導體量子點具有較高的發光效率。半導體量子點的發光特性，除了量子點的三維量子限制作用之外，還有其他諸多因素需要考慮。不過人們通過大膽嘗試與努力探索，已在量子點的發光特性研究方面取得了很大的進展。
3、量子點材料的應用
鑒于量子點的獨特理化性質，科學工作者就量子點材料的應用研究開展了大量的工作，研究領域主要集中在納米電子學、光電子學、生命科學和量子計算等領域，下面介紹一下量子點在這些方面的應用。
3.1量子點激光器
用量子線或量子點設計并制作微結構激光器的新思想是由日本的兩名年輕的科學家在1982年提出了，但是由于制備工藝的難度很大而擱淺。隨著技術的進步，到90年代初，利用MBE和MOCVD技術，通過 Stranski―Krastanow（S―K）模式生長In（Ga）As/GaAs自組裝量子點等零維半導體材料有了突破性的進展，生長出品格較完整，尺寸較均勻，且密度和發射率較高的InAs量子點，并于1994年制備出近紅外波段In（Ga）As/GaAs量子點激光器。
3.2量子點紅外探測器
半導體材料紅外探測器的研究一直吸引人們非常廣泛的興趣。以量子點作為有源區的紅外探測器從理論上比量子阱紅外探測器具有更大的優勢，這些優勢包括：（1）量子點探測器可以探測垂直入射的光，無需像量子阱探測器那樣要制作復雜的光柵；（2）量子點分立態的間隔大約為50meV-70meV，由于聲子瓶頸效應，電子在量子點分立態上的弛豫時間比在量子阱能態上長，這有利于制造工作溫度高的器件；（3）三維載流子限制降低了熱發射和暗電流；（4）探測器不需冷卻，這將會大大減少陣列和成像系統的尺寸及成本。因此，量子點探測器已經成為光探測器研究的前沿，并取得了重大進展。
3.3 單電子器件
電子器件是基于庫侖阻塞效應和單電子隧道效應的基本原理，通過控制在微小隧道結體系中單個電子的隧穿過程來實現特定功能的器件，是一種新型的納米電子器件。
3.4 量子計算機
量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是量子計算機。1998年，Loss和Di Vincenzo描述了利用耦合單電子量子點上的自旋態來構造量子比特，實現信息傳遞的方法。
除此之外，量子點在生物化學、分子生物學、細胞生物學、基因組學、蛋白質組學、藥物篩選、生物大分子相互作用等研究中有極大的應用前景。
結束語 我們相信量子點技術應用的未來出現很多奇跡，隨著對量子點的深入研究，其在各個領域的應用前景還將更加廣闊。
參考文獻
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關鍵詞半導體材料量子線量子點材料光子晶體
1半導體材料的戰略地位
上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術產業，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發展到“能帶工程”。納米科學技術的發展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變人們的生活方式。
2幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢
2.1硅材料
從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現大規模工業生產，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術正處在由實驗室向工業生產轉變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產線已經投入生產，300mm，0.13μm工藝生產線也將在2003年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。
從進一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會成為硅材料發展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發展很快。目前，直徑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開發中。
理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應對現有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導體材料研發的重點。
2.2GaAs和InP單晶材料
GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨特的優勢。
目前，世界GaAs單晶的總年產量已超過200噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產線。InP具有比GaAs更優越的高頻性能，發展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。
GaAs和InP單晶的發展趨勢是：
（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業應用。
（2）。提高材料的電學和光學微區均勻性。
（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。
（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術發展很快，很有可能成為主流技術。
2.3半導體超晶格、量子阱材料
半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態量子器件的基礎材料。
（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。
GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和應變補償材料體系已發展得相當成熟，已成功地用來制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質結雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達500GHz，HEMT邏輯電路研制也發展很快。基于上述材料體系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發光二極管和紅光激光器以及大功率半導體量子阱激光器已商品化；表面光發射器件和光雙穩器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅動電路所需的低維結構材料是解決光纖通信瓶頸問題的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。另外，用于制造準連續兆瓦級大功率激光陣列的高質量量子阱材料也受到人們的重視。
雖然常規量子阱結構端面發射激光器是目前光電子領域占統治地位的有源器件，但由于其有源區極薄（～0.01μm）端面光電災變損傷，大電流電熱燒毀和光束質量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區量子級聯耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nmInGaAs帶間量子級聯激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質量的新型激光器，在未來光通信、光互聯與光電信息處理方面有著良好的應用前景。
為克服PN結半導體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實驗室發明了基于量子阱內子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯激光器（QCLs）發明以來，Bell實驗室等的科學家，在過去的7年多的時間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進展。2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區結構使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續輸出功率3mW.量子級聯激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。中科院上海微系統和信息技術研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準連續應變補償量子級聯激光器，使我國成為能研制這類高質量激光器材料為數不多的幾個國家之一。
目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結構材料發展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產能力可高達3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的PicogigaMBE基地，美國的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產型MBE和MOCVD設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術的發展。
（2）硅基應變異質結構材料。
硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經多年研究，但進展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結構，Ge／Si量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發光器件和有關納米硅的受激放大現象的報道，使人們看到了一線希望。
另一方面，GeSi／Si應變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止頻率已達200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。
盡管GaAs／Si和InP／Si是實現光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數等不同造成的高密度失配位錯而導致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。
2.4一維量子線、零維量子點半導體微結構材料
基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發展與應用，極有可能觸發新的技術革命。
目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個比較成熟的材料體系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續輸出功率高達3.6～4W.特別應當指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點激光器的有源區材料結構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關鍵參數，至今未見國外報道。
在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術實現了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應用方面邁出的關鍵一步。目前，基于量子點的自適應網絡計算機，單光子源和應用于量子計算的量子比特的構建等方面的研究也正在進行中。
與半導體超晶格和量子點結構的生長制備相比，高度有序的半導體量子線的制備技術難度較大。中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術和SK生長模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結構的基礎上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準（垂直或斜對準）的物理起因和生長控制進行了研究，取得了較大進展。
王中林教授領導的喬治亞理工大學的材料科學與工程系和化學與生物化學系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發技術，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現出高純、結構均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達數毫米。這種半導體氧化物納米帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現象和基于它的功能器件制造。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領導的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導體量子線超晶格結構的生長制各方面也取得了重要進展。
低維半導體結構制備的方法很多，主要有：微結構材料生長和精細加工工藝相結合的方法，應變自組裝量子線、量子點材料生長技術，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術，單原子操縱和加工技術，納米結構的輻照制備技術，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學方法制備量子點和量子線的技術等。目前發展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結構的應變自組裝可控生長技術，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結構。
2.5寬帶隙半導體材料
寬帶隙半導體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發光二極管（LED）和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達140GHz，fT=67GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN基電子器件的發展。另外，近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因為它們在長波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應用前景。
以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進展，2英寸的4H和6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍綠光LED業已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發光器件的竟爭。其他SiC相關高溫器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。
II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點而得到迅速發展。1991年3M公司利用MBE技術率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導體激光（材料）器件研制的。經過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發展和應用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區材料的完整性，特別是要降低由非化學配比導致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向實用化前必須要解決的問題。
寬帶隙半導體異質結構材料往往也是典型的大失配異質結構材料，所謂大失配異質結構材料是指晶格常數、熱膨脹系數或晶體的對稱性等物理參數有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發界面處大量位錯和缺陷的產生，極大地影響著微結構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應用領域。
目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發展的關鍵問題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，II－VI族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。
3光子晶體
光子晶體是一種人工微結構材料，介電常數周期的被調制在與工作波長相比擬的尺度，來自結構單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態晶體中的能帶論來描述三維周期介電結構中光波的傳播，相應光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結合脈沖激光蒸發方法，即先用脈沖激光蒸發制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進展，但三維光子晶體的研究，仍是一個具有挑戰性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進展。
4量子比特構建與材料
隨著微電子技術的發展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發展基于全新原理和結構的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰之一。1994年Shor基于量子態疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。
所謂量子計算機是應用量子力學原理進行計的裝置，理論上講它比傳統計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現量子比特構造和量子計算機的設想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現大規模量子計算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實現其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。
這種量子計算機的最終實現依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發展。除此之外，為了避免雜質對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規則的磷原子陣列等是實現量子計算的關鍵。量子態在傳輸，處理和存儲過程中可能因環境的耦合（干擾），而從量子疊加態演化成經典的混合態，即所謂失去相干，特別是在大規模計算中能否始終保持量子態間的相干是量子計算機走向實用化前所必需克服的難題。
5發展我國半導體材料的幾點建議
鑒于我國目前的工業基礎，國力和半導體材料的發展水平，提出以下發展建議供參考。
5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術的主導地位
至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進口。目前國內雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產6英寸的硅外延片，然而都未形成穩定的批量生產能力，更談不上規模生產。建議國家集中人力和財力，首先開展8英寸硅單晶實用化和6英寸硅外延片研究開發，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產線用硅單晶材料的國產化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規模生產能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應及時布點研制。另外，硅多晶材料生產基地及其相配套的高純石英、氣體和化學試劑等也必需同時給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術的落后局面，進入世界發達國家之林。
5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶材料發展建議
GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產能力。相信在國家各部委的統一組織、領導下，并爭取企業介入，建立我國自己的研究、開發和生產聯合體，取各家之長，分工協作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產能力，以滿足我國不斷發展的微電子和光電子工業的需術。到2010年，應當實現4英寸GaAs生產線的國產化，并具有滿足6英寸線的供片能力。
5.3發展超晶格、量子阱和一維、零維半導體微結構材料的建議
（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎出發，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產的工業型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內2、3和4英寸GaAs生產線所需要的異質結材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結構材料的生產能力。達到本世紀初的國際水平。
寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優布點，分別做好研究與開發工作。
（2）一維和零維半導體材料的發展設想。基于低維半導體微結構材料的固態納米量子器件，目前雖然仍處在預研階段，但極其重要，極有可能觸發微電子、光電子技術新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結構材料生長和納米加工技術的進步，而納米結構材料的質量又很大程度上取決于生長和制備技術的水平。因而，集中人力、物力建設我國自己的納米科學與技術研究發展中心就成為了成敗的關鍵。具體目標是，“十五”末，在半導體量子線、量子點材料制備，量子器件研制和系統集成等若干個重要研究方向接近當時的國際先進水平；2010年在有實用化前景的量子點激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發方面，達到國際先進水平，并在國際該領域占有一席之地。可以預料，它的實施必將極大地增強我國的經濟和國防實力。
關鍵詞： 晶體 缺陷 固體電解質 半導體材料 摻雜合金
美，讓人感覺賞心悅目，美，讓人感覺興趣盎然。美的事物總是讓人更易去接受，更愿去接近。化學中的美無處不在，化學史的美，化學儀器的美，形形物質的結構美……
興趣是最好的老師，因此，在化學教學中，老師如何更多地去發現美，如何引導學生更好地去感受美，對學生學習化學興趣的培養有著重要的意義。在晶體結構的教學中，教師更多的是讓學生感受晶體的完美，完美的晶體確實讓人心儀，但實際的物質在結成晶體時往往都有美中不足的地方，實際的晶體總是存在著這樣或那樣的缺陷。那么，晶體的缺陷是如何形成的呢？缺陷就是不完美，又如何去挖掘晶體的缺陷美呢？
一、晶體的缺陷
晶體的缺陷有點缺陷、線缺陷、面缺陷，點缺陷有填隙缺陷、雜質原子、空位等情況。例如：
試題1：已知一種鐵的氧化物FeO（富氧體）為氯化鈉型晶體。由于晶體存在缺陷，x＜1，測得其密度為5.71g?cm，測得其晶胞邊長為4.28×10m。
（1）FeO晶體中x＝ （保留2位有效數字）。
（2）FeO中Fe和Fe個數比為 。
試題點評：對于氯化鈉型的FeO晶體，Fe與O的個數之比為1∶1，當晶體中的部分Fe因氧化而生成Fe時，造成正電荷的增多，在保證負電荷總數不變的情況下，根據電荷守恒，晶體中鐵離子的總數將減少，使得化學式FeO中的x＜1。根據晶體的密度和晶胞邊長，可列示：
5.71g?cm=，得M＝67.38g?mol，所以，x＝（67.38–16）/55.84＝0.92。
根據電荷守恒，當晶體中每2個Fe被氧化生成Fe時，晶體中將產生一個空位，因此，晶體中Fe與空位數之比為2∶1，在1mol FeO晶體中，空位的物質的量為（1－0.92）mol＝0.08mol，Fe數為0.08mol×2＝0.16mol，Fe數為0.92mol－0.16mol＝0.76mol，晶體中Fe和Fe的個數之比為0.76∶0.16＝19∶4。
二、晶體的缺陷美
晶體有缺陷，但若能善加利用，缺陷的晶體就能散發它的缺陷美。如能導電的固體電解質、半導體材料和特殊性能合金等，都是晶體缺陷的具體應用。
1.能導電的固體電解質
由于晶體中空位缺陷的存在，對不同晶體的導電率產生了各異的影響。因在電場的作用下，離子會通過空位而移動，從而提高了離子晶體的電導率。例如：
試題2：設計出燃料電池使汽油氧化直接產生電流是世紀富有挑戰性的課題之一。最近有人制造了一種燃料電池，一個電極通入空氣，另一電極通入汽油蒸氣，電池的電解質是摻雜了YO的ZrO晶體，它在高溫下能傳導O離子。以丁烷代表汽油，這個電池放電時發生的化學反應為：2CH＋13O=8CO＋10HO。回答如下問題。
（1）這個電池的正極反應是 ，負極反應是 ，固體電解質里的O離子的移動方向是 。
（2）人們追求燃料電池氧化汽油而不在內燃機里燃燒汽油產生動力的主要原因是： 。
（3）汽油燃料電池最大的障礙是氧化反應不完全產生 堵塞電極的氣體通道，有人估計，完全避免這種副反應至少還需10年時間，正是新一代化學家的歷史使命。
試題點評：由于ZrO晶體中部分＋4價Zr被＋3價Y替換，根據電荷守恒，O離子將產生缺位，在電場的作用下，O離子會通過空位而移動，從而導致了晶體的導電性。
由于晶體的導電是O離子的定向移動造成的，因此該電池的正極反應為：13O＋52e=26O，負極反應為：2CH＋26O－52e=8CO＋10HO。電池正極產生O，負極消耗O離子，故電解質里的O離子應向負極移動。
由于汽油在內燃機里燃燒時能量利用率低，利用率只有10%左右，而當設計成燃料電池后，能量的利用率大致在30%左右，可大大提高汽油氧化時的能量利用率。但由于汽油不完全燃燒將產生碳，能堵塞電極的氣體通道，這是汽油燃料電池的最大障礙。
2.摻雜制半導體材料
雜質對于晶體，特別是半導體材料電學性質的影響是十分顯著的。如10億個正常粒子中有6個雜質粒子存在就足以使半導體的電學性質發生顯著的變化。因此，許多半導體原料（如硅、鍺等，本身由于自由移動的電子很少，幾乎不導電）在制成器件前都要摻雜，控制摻雜元素的種類和濃度，即可得到不同類型的、電阻率氛圍各異的半導體材料。例如：
試題3：在鍺（或硅）材料的一端摻入少量某主族元素的單質，就變為P型（缺電子型或空穴型）半導體，另一端摻入少量另一主族元素的單質，就變成N型（電子型）半導體。在P型和N型半導體的交界面就形成PN結，在外接電場的作用下，電子就會產生定向的移動。PN結是構成各種半導體器件（如二極管、三極管等）的基礎。試回答下列問題：
（1）P型半導體摻入的是 族元素的單質，N型半導體摻入的是 族元素的單質。
