360度解析半导体

半导体的发现和应用使得人类从电力时代步入到了信息时代。现代人使用的任何一件电器几乎都少不了半导体材料。半导体之所以能获得如此广泛的应用，是因为它能实现电流“开关”功能，从而判断“是”与“非”，即可以实现二进制的逻辑运算。其基本原理在于PN结，即由带正电的空穴为载流子的P型半导体和以带负电的电子为载流子的N型半导体形成的界面结。两类半导体中间是空间电荷区，存在两端负离子和正离子控制的电场。
　　
　　如果加P到N的正向电压，则空穴和电子都将流向该区并中和对方的离子使得该区范围不断减小直至导通；如果加N到P的方向电压，则空穴和电子朝反方向运动，空间电荷区将不断增大，电流无法通过。这样PN结就可以识别正反向电压，或者通过不同方向电压就可以控制电路的通或断，就实现了“1”和“0”的两个状态。利用PN结做成的逻辑电路可以进行逻辑运算，尽管电子在电路中的运动速率要远小于光速，但是建立电路关联只和电场存在与否相关，电场是以近光速运动的，这就能实现电路中的快速响应也就等效于快速运算，这也是“电脑”能比人脑快得多的原因。
　　
　　相比现在的计算机CPU和大规模集成电路芯片而言，世界上第一个用PN结原理做出的半导体晶体管并不漂亮，而第一个集成电路也非常“丑陋”，但正是这些创新的想法改变了所有人类的生产和生活，也获得了诺贝尔奖。遗憾的是，中国在传统半导体技术上是非常落后的，比如常用的半导体材料硅，中国往往只能大规模地出口低纯度的原料，然后买进发达国家提纯后的高纯硅用以器件制备。但是随着半导体技术的革新和发展，第二代甚至第三代半导体材料正在兴起，这些材料有砷化镓、氮化镓、碳化硅、氧化锌等。比如氧化锌材料有着神奇的压电效应——通过产生形变可以形成电势差。
　　
　　华人学者王中林的研究小组利用氧化锌纳米线的压电效应实现了“纳米发电机”，这意味着人们可以把一些机械摩擦中损耗的能量通过发电机存储起来，甚至可以捕捉生物活体内的机械能如心脏跳动等，为未来“纳米机器人”的实现提供了广阔想象空间。
　　