半导体 什么是直接禁带材料 间接禁带物质？

半导体（semiconductor）指电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率约在10-5～107欧·米之间，温度升高时电阻率指数则减小。 半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类： 锗和硅是最常用的元素半导体；

化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。

除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。如果用适当波长的光照射半导体，那么电子在吸收了光子后将由价带跃迁到导带，而在价带上留下一个空穴，这种现象称为光吸收．要发生光吸收必须满足能量守恒定律，也就是被吸收光子的能量要大于禁带宽度Eg，即

hν≥Eg （1）

其中h是普朗克常量，ν是光的频率．若光子能量小于禁带宽度，则光不能被吸收，而透射过晶体，这时晶体是透明的．例如食盐（NaCl）晶体，它的禁带宽度很大，约有10eV，所有光都能透射过去，因此它是透明的．而半导体晶体的禁带宽度在1eV左右，例如硅的禁带宽度是1.1eV，砷化镓的禁带宽度是1.4eV，由式（1）可算出吸收光的波长（λ＝c/ν，c是光速）分别为1.127μm和0.885μm，属于红外光范围．凡波长比上述波长短的光，即可见光都将被吸收，因此它们都是不透明的．

电子被光激发到导带而在价带中留下一个空穴，这种状态是不稳定的，由此产生的电子、空穴称为非平衡载流子．隔了一定时间后，电子将会从导带跃迁回价带，同时发射出一个光子，光子的能量也由式（1）决定，这种现象称为光发射．光发射现象有许多的应用，如半导体发光管、半导体激光器都是利用光发射原理制成的，只不过其中非平衡载流子不是由光激发产生，而是由电注入产生的．发光管、激光器发射光的波长主要由所用材料的禁带宽度决定，如半导体红色发光管是由GaP晶体制成，而光纤通讯用的长波长（1.5μm）激光器则是由GaxIn1-xAs或GaxIn1-x AsyP1-y合金制成的．

不是所有的半导体都能发射光．例如：最常见的半导体硅和锗就不能发射光，这是由它们的能带性质所决定的．它们的能带称为间接能带，电子从导带通过发射光跃迁到价带的几率非常小，而只能通过其它方式，如同时发射一个声子跃迁至价带．因此硅和锗这两种在微电子器件中已得到广泛应用的材料，却不能用作光电子材料．其它的Ⅲ-Ⅴ族化合物，如GaAs、InP等的能带大部分是直接能带，能发射光，因此被广泛用来制作发光管和激光器．目前科学家正在努力寻求能使硅发光的方法，例如制作硅的纳米结构、超晶格微结构，如果能够成功，则将使微电子器件、光电子器件都做在一个硅片上，能大大提高效率，降低成本，这称为光电集成．

一、机械加工工业

金刚石磨具是磨削硬质合金的特效工具。金刚石砂轮磨削硬质合金，比用普通砂轮的磨削比高1000倍，成本降低10%以上。金刚石砂轮刃磨硬质合金刀具，可以避免用碳化硅砂轮加工时容易产生的裂纹、锯口等缺陷，即加工出的刀具粗糙度低和精度高，寿命可延长50%～100%，还可以省掉刃磨后的抛光工序，生产效率可提高数倍。

在汽车制造工业中，用金刚石磨石来搪磨汽车发动机汽缸时，一块金刚石磨石相当于300块碳化硅油石；加工表面粗糙度由Ra0.8～0.4 μm提高到Ra0.2～0.1μm，而汽缸的椭圆度和锥度从0.03mm减少到0.015～0.02mm。

硬而脆的贵重半导体材料，如硅、锗、砷化镓、磷化镓等，欲制成小片状的半导体器件，需要切割和研磨加工。使用钢丝锯切割，效果不佳，切口损耗也大；激光切割尚未进入实用阶段。目前最合适的方法是用金刚石切割锯片加工。用金刚石研磨膏来抛光半导体材料，不仅效率高，而且可达到最高一级表面粗糙度Ra0.006μm。

金刚石拉丝模可以拉制电子电器工业用的超细金属丝导线，精度可达到1～2μm，且比硬质合金拉丝模寿命长200多倍。

电器工业上使用的夹布胶木和环氧树脂纤维板等非均质绝缘材料，用金刚石薄片砂轮加工时，废品少，效率高、成本低，解决了用其他工具切割时存在的烧伤、表面粗糙度差、尺寸不准、废品多、效率低等各种困难问题。

在加工硬脆的铁氧体以及高硬度的电绝缘陶瓷材料方面，金刚石工具同样是最有效的工具。例如，可加工含刚玉35%的高压电瓷［它是一种使用碳化硅（SiC）也很难加工的硬脆材料］。

二、光学玻璃和宝石加工业

以前利用碳化硅加工光学玻璃，效率低，劳动条件差。现在已经全部采用金刚石磨具加工（包括下料、套料、切割、铣磨、磨边以及凸、凹曲面的精磨），综合生产效率提高数倍至数十倍。随着金刚石成本的降低，除了光学和精密玻璃器件外，许多本来用普通磨料加工的一般性玻璃制品，如汽车窗玻璃等，现在也都用金刚石磨具加工。

在加工宝石、玛瑙、玉器等方面，金刚石磨具是不可缺少的工具。

三、钻探与开采工业

在石油、煤炭、冶金、地质勘探等钻探和开采方面，广泛使用金刚石钻头。由于其硬度高，耐用，不仅能钻进最坚硬的岩层，而且钻速快，提钻次数少，孔斜小，可实现小口径钻进，减轻劳动强度，节约钢材，比用硬质合金钻头总成本反而降低。

大约在1860年前后，世界上产生了第一个金刚石钻头。当时是采用手工镶嵌粗颗粒天然金刚石的方法制造的。在1945年前后，开始采用用粉末冶金方法制造细颗粒金刚石地质钻头。这一方法沿用至今，并且随着人造金刚石的发展而不断发展。20世纪70年代以后，采用金刚石聚晶制造的石油钻头，得到了迅速推广应用。20世纪90年代以来，在全世界地质钻头和石油钻头钻探总量中，金刚石钻头工作量约占70%。目前，用于钻探工具的金刚石数量，约占工业金刚石消耗总量的20%。

四、建筑与建材行业

在大理石、花岗岩、人造铸石、混凝土建筑材料的切割、加工和磨削加工方面，广泛使用金刚石工具。如大型圆锯和排锯，以及金刚石绳锯等。此外，还有金刚石磨辊和磨边轮，用于板材的磨面和磨边。

五、电子、计算机工业

利用金刚石良好的导热性、红外透性、对紫外光敏感性、声光振动特性、半导体性能和禁带宽度大等性能，目前已广泛用它制作大规模、高效率集成电路基片、计算机显示屏、固体激光散热片、光电元件、金刚石整流器、金刚石温度计、红外窗口和紫外窗口保护膜、音响板等。

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