半导体技术的应用

1. 大规模集成电路和计算机

大规模集成电路为计算机、网络的发展打下了基础。按照摩尔定律，集成电路的集成度以每18个月翻一番的速度发展，最近它的线度已达到几十纳米（毫米、微米、纳米），每一个芯片上包含了上百亿个元件。计算机科学已经发展到很高水平，无论是计算机的硬件还是软件都已十分成熟，每秒万亿次甚至更高速度的计算机（天河：2000万亿次，世界第二）都已问世，这为各种高速运算、海量信息处理和转换提供了有力的工具。

自从1943年计算机诞生以来，由于集成电路的发明，计算机向着高运算速度、体积小型化方向飞速发展。目前世界主要发达国家和中国都已拥有百万亿次以上浮点运算的大型计算机。中国制造和拥有这种超级计算机的数量在世界上据第二位，仅次于美国。这种超级计算机能用于分析蛋白质、开发新药等，在军事上可用于模拟核爆炸、解密码等。需要说明的是制造这种计算机所需的大规模集成电路中国还很落后，大部分还需进口。

2. 光通信技术

以前长距离通信靠长途电话或电报。因为通话数目少，价钱很贵。1966年英国标准通信实验室的高锟（K. C. Kao）提出用无杂质高透明度的玻璃纤维传输激光信号。如果它的损耗能低到20分贝/公里，则就能实现长距离光通信。1970年纽约康宁玻璃厂的毛瑞尔（R. D. Maurer）等用“淀积工艺”将四氯化硅蒸气经过火焰水解，制成密实的玻璃管，再加热后通过模子拉制成细的玻璃纤维。低损耗的玻璃纤维的诞生是光通信技术的里程碑进展。

1976年美国贝尔实验室在亚特兰大进行了第一次光通信实地实验，取得了很好的效果。光纤的平均功率损耗为6分贝/公里，无差错传输信息超过10.9公里，相当于通过光纤环路17周。1976年12月贝尔实验室宣布：光波通信通过了它的首次检验，光波通信的可能性已经得到证明。从此宣告了光通信时代的来临，并预示着微电子时代向光电子时代的序幕正式揭开了。

今天，电信网络、计算机网络和有线电视网络已经成为一个国家重要基础设施，所有政治、经济、军事、科技活动以至人们日常生活时刻都离不开这三网。我国现有电话用户8亿5千万，其中移动手机用户4亿8千万，是世界上最大的电信网络。计算机上网用户已达1.37亿，有线电视用户达1.3亿，占世界三分之一。将来的趋势是三网合一。现在的手机上网已经很普遍了，这方面美国的苹果公司走在了前面。光有不同的颜色和波长。不是所有颜色的光都能在光纤中传播。

光纤的损耗分别在1450-1550nm和1250-1350nm处具有最低值和次低值，因此是光纤通信的2个主要窗口。为了让一根光纤能传播尽量多的信息通道，采用了波分复用的光通信系统，就是把这2个波段划分成很窄的波长，每个波长形成一定的通信容量。将不同波长的信号通过一根光纤传至对方，再经过解复用，由光检测器恢复原来以不同波长传递的电信号。由于光信号在传递中会逐步衰减，为了达到长距离传输的目的，每隔一定距离需要通过掺铒光纤放大器将其信号放大。

3. 无线通信技术（手机）

无线通信的基础是蜂窝式移动电话，它的早期制式是贝尔实验室在1978年推出的“先进移动电话服务”系统（AMPS）。该系统是将服务的区域分成许多小的六角形的地理区域（cell），就像蜂窝一样（见图19）。每个小区内有低功率的无线电话发射器、接收器和一个控制系统，形成一个基站。

各服务区的基站通过光纤连接到中央交换实体（移动电话局），该实体装有电子交换系统。基站网络追踪移动终端的位置，当移动终端到达另一小区时能自动与邻近的基站重建联系，以便继续通话。由于小区内的无线通话功率低，只影响限定的范围，因而与别的小区的通信信号不会产生干扰。

第一个AMPS系统在1979年7月在芝加哥试验成功。1992年4月，AT&T公司微电子集团宣布制成新一代数字蜂窝电话的集成电路芯片，使该公司成为移动通信数字信号处理元件的领先供应者。这种数字信号处理器构成DSP1600系列，它使手机的体积和功率大大减小，在市场上大受用户欢迎。除了手机通信以外，还有其它的无线通信手段（见图20），包括：卫星传输高清晰度电视、卫星间通讯、多点视频通讯、无线局域网、交通工具之间的通讯、以及防撞雷达等。它们的工作频率在微波波段，从几个GHz到100GHz。

各种无线通信及其工作频率。波段从微米到毫米波段，频率为20-80 GHz。无线通讯中最关键的器件是半导体高频振荡器件，目前有2种：高电子迁移率晶体管（HEMT）和异质结双极晶体管（HBT）。它们实际上就是典型的三极管，但由于利用分子束外延技术，n-p-n每一层都可以做得很薄，缩小了电子运动的路径，具有高的截止频率fT。目前这两种器件的截止频率都已达到了100GHz以上，满足了无线通信的需要。

4. 半导体太阳电池——太阳电池用硅材料

太阳电池用硅材料主要包括：直拉硅单晶、非晶硅、带状硅和薄膜多晶硅，这些材料在实验室和产业中制成的太阳电池的效率。目前铸造多晶硅占太阳能电池材料的47.54％，是最主要的太阳电池材料。到2004年，铸造多晶硅的市场份额已经超过53％。直拉单晶硅占35.17％，占据第二位，而非晶硅薄膜占8.3％，位于第三位，而化合物半导体CuInSe和CdTe仅占0.6％。不同的半导体材料在实验室和产业中制成的太阳电池效率

5. 半导体太阳电池——多晶硅太阳电池

直到上世纪90年代，太阳能光伏工业还是主要建立在硅单晶的基础上。虽然硅单晶电池的成本在不断下降，但是和常规电力相比还是缺乏竞争力，因此，不断降低成本是光伏界追求的目标。自上世纪80年代铸造多晶硅 的发明和应用以来，增长迅速。它以相对低成本、高效率的优势不断挤占单晶硅的市场，成为最有竞争力的太阳电池材料，到本世纪初，已占到50％以上，已经成为最主要的太阳电池材料。

到目前为止，铸造多晶硅的晶锭重量已经达到300 kg，太阳电池片的尺寸达到210×210 mm2。到本世纪初，多晶硅太阳电池的效率达到20.3%。在实际生产中，铸造多晶硅太阳电池的最高效率也达到17.7％左右，接近直拉硅单晶太阳电池的光电转换效率。

6. 半导体太阳电池——非晶硅薄膜太阳电池

今日非晶硅薄膜太阳电池已发展成为实用廉价的太阳电池品种之一，具有相当的工业规模。世界上非晶硅太阳电池的总组件生产能力达到每年50MW以上，组件及相关产品的销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源，大到10MW级的独立电站，对太阳能光伏的发展起了重要的推动作用。和晶体硅相比，非晶硅薄膜具有制备工艺简单、成本低和可大面积连续生产的优点。在太阳电池领域，其优点具体表现为：

• 材料和制造工艺成本低。这是因为非晶硅薄膜太阳电池是制备在廉价的衬底材料上，如玻璃、不锈钢、塑料等，其价格低廉；而且，非晶硅薄膜仅有数千埃厚度，不足晶体硅电池厚度的百分之一，这也大大降低了硅原材料的成本；进一步而言，非晶硅制备是在低温进行，其沉积温度为100℃~300℃，显然，规模生产的能耗小，可以大幅度降低成本。
• 易于形成大规模生产能力。
• 多品种和多用途。
• 易实现柔性电池。非晶硅可以制备在柔性的衬底上，而且它的硅网结构力学性能特殊，因此，它可以制备成轻型、柔性太阳电池，易于和建筑集成，以及各种日常用品。

但是，和晶体硅相比，非晶硅太阳电池的效率相对较低，在实验室电池的稳定的最高转换效率只有16％左右；在实际生产线上，效率不超过10％；而且，非晶硅太阳电池的光电转化效率在太阳光的长期照射下有严重地衰减，到目前为止仍然没有根本解决。另外，还有军事和卫星用的化合物太阳能叠层电池。

7. 半导体白光照明

➤1、发展半导体白光照明意义

氮化镓发光管（LED）是一种高效长寿命的固态照明光源。白炽灯、荧光灯是目前面广量大的传统白光照明光源。白炽灯是一种热光（色温2800Ｋ），含有大量的红外线，工作寿命短，发光效率低，而荧光灯则是一种冷光，高效率，但寿命短，有毒（含汞)。与传统的白炽灯和荧光灯相比，氮化镓发光管是一种具有体积小、重量轻、电压低、效率高、寿命长等特点的固态照明冷光源，因此是一种节能、绿色照明光源。

氮化镓LED目前已经用在许多场合：景观灯、交通灯、汽车尾灯、大屏幕显示灯。能源是经济、社会可持续发展不可缺少的要素，节约能源、提高能效是可持续发展能源的重大战略。据统计，全世界“照明”耗能约占总电功率的20％。由于LED高效发光，LED白光照明可节省大量的发电煤和原油使用量，全球每年可减少25亿吨CO2排放量。

因此，氮化镓LED白光照明具有巨大的市场前景，将来成本和效率问题解决以后，可代替目前广泛使用的白炽灯和荧光灯，引发一次白光照明技术革命。国际上把半导体照明光源中期目标（5-10年内）定为>100 lm/W，2020年达到200 lm/W或300 lm/W，这样就可替代传统照明。

➤2、氮化镓LED白光照明的技术途径

众所周知，由红(Red)、绿(Green)、蓝（Blue）三基色可合成白光，如图24所示。该图为1931色度图，三角形中央虚线区为白光区。氮化镓LED一般只能发出一种颜色的光。白光照明也要通过RGB三基色的合成来实现。RGB三基色可以直接靠LED发射三基色光，也可用LED去激发荧光物质，通过二次光转换获得三基色光或准三基色光。

所以，实现氮化镓LED白光照明有两种技术途径：一种是利用氮化镓发光二极管（LED）去激发荧光物质转换成白光，可称作为“二次光转换白光技术”；另一种是利用LED直接发射白光，可称作为“直接发射白光技术”。

➤3、LED白光照明技术发展方向

• 研究发展近紫外、深紫外LED器件，实现高显色指数的“固体白光荧光灯”。这种白光技术具有显色指数高（CRI>90）、转换效率高（外量子效率43%），色彩重现性高等特点，是一种较理想的白光源。
• 研究发展III族氮化物LED直接发射白光技术
• 研究提高LED发光效率、光通量，发展功率型LED其器件

传统白炽灯发光效率为16 lm/W，荧光灯发光效率为85 lm/W，因此，Ⅲ族氮化物LED白光照明光源要替代白炽灯和荧光灯，其发光效率至少要超过100 lm/W，同时要降低成本。

8. 光盘存储和激光测距、激光打印、激光仪器

光盘存储和激光测距、激光打印、激光仪器等是半导体激光器的另一重大应用领域。CD盘（只读声盘）、DVD（数值可视盘）所用的激光器波长分别为780nm和670nm、650nm，由激光器将信息“写”入光盘或者从光盘上“读”出声音或光信号。激光器的波长越短，光盘存储密度就越高。波长为410nm的InGaN激光器可以将光盘的存储量再提高一大步。波长为670-630nm的InGaAlP激光器已在许多场合取代了He－Ne激光器，在激光测距、激光打印、激光医疗仪器中得到了重要的应用。

9. 半导体激光器的军事应用

波长为808nm的AlGaAs大功率激光器是大功率YAG（掺钇铝石榴石）固体激光器的泵浦光源，代替了原来的氙气激光器，取消了庞大的电源和冷却系统，使固体激光器变得高效率、小体积、高性能、长寿命、低成本，适合于军事应用，例如激光雷达和核爆炸模拟、核聚变研究。水下光传播的窗口为590nm，蓝绿光激光器的诞生为水下通信开了绿灯。火箭、飞机飞行过程中掌握方向的光纤陀螺中最关键的器件是半导体超辐射发光二极管。

10. 环境保护

大自然中，水汽、甲烷、氨气、二氧化碳、一氧化碳、盐酸、溴酸、硫化氢等气体的灵敏吸收峰在1.5-2.0mm范围。InAsSb或GaInAsSb应变量子阱激光器的波长可达1.0-4.0mm范围，近年来出现的量子级联激光器的波长可达4.0-17mm。这些覆盖了红外－远红外范围的各类激光，构成了大气监控、监测的环保卫士。