材料科学与工程学科发展历程和趋势 摘要：本文结合国内几所高校材料学科的具体实例，综述了材料科学与工程学科的国内外发展的历史进程，讨论了材料科学与工程学科的发展趋势，同时展望了材料科学与工程学科在未来的发展前景。 关键词：材料科学与工程，发展历程，趋势 Abstract In this paper,on the basis of practice of materials science and engineering discipline in several domestic universities, the development process of materials science and engineering at home and abroad were reviewed, and the development trend of this discipline were discussed. Meanwhile, the prospect of this subject in the future were prospected. Keywords:materials science and engineering,development process,trend 1 引言 上个世纪70年代以来，人们把信息、材料和能源作为社会文明的支柱。80年代又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。随着科学技术的高速发展，新技术、新产品及新工艺对新材料的要求越来越强烈，也促进了当代材料科学技术的飞速发展。现在，材料学科及教育的重要性已被人们认识，国内外许多工科院校及综合性大学都相继成立了材料科学与工程学院（系）。 2 材料科学与工程学科发展历程 “材料科学”这个名词在20世纪60年代由美国学者首先提出。1957年，苏联人造地球卫星发射成功之后，美国政府及科技界为之震惊，并认识到先进材料对于高技术发展的重要性，于是一些大学相继成立了十余个材料科学研究中心，从此，“材料科学”这一名词开始被人们广泛使用。 材料学科的发展过程遵循了现代科学发展的普遍规律，也是从细分走向综合。各门材料学科通过相互交叉、渗透、移植，由细分最终走向具有共同理论和技术基础的全材料科学[1]。20世纪40年代以前，基础科学和工程之间的联系并不十分紧密。在20世纪20年代固体物理和材料工程两学科是分离的，到40年代两学科才有交叉。从60年代初开始出现了材料科学，到了70年代，材料科学和材料工程的学科内涵大部分重叠，材料科学兼备自然科学和应用科学的属性，故“材料科学与工程”(MSE)作为一个大学科逐步为科技界和教育界所接受[2]。 2.1 国外材料科学与工程学科发展历程 美国西北大学M.E.Fine教授等人首先于20世纪60年代初提出了材料科学与 工程(MSE)这一概念。在上20世纪60年代以前，国内外高校均没有明确完整的MSE教育。此时，材料科学与技术人才的培养分属冶金、化工或机械等专业。从60年代初起，欧美等国家高校中冶金、机械或化工等与材料有关的系或相关的专业及学科开始改设“材料科学与工程系”、“材料科学系”、“材料工学系”。至80年代中后期，欧美等国大部分高校已完成此项工作。这种教育符合材料科学技术发展趋势。近年来，美国与欧洲在材料教育方面的最显著特点就是把材料科学与工程看作是一门学科。在大学不再需要专门的材料主题。这些材料不再是冶金、陶瓷或电子材料学，而统称为材料，材料教育涉及的范围包括金属、陶瓷、高分子、
篇名 半導體產業 作者 李鎮宇。市立三民高中。二年六班張傑浩。市立三民高中。二年六班張碩文。市立三民高中。二年六班
壹●前言 自從有人類以來，已經過了上百萬年的歲月。社會的進步可以用當時人類使用的器物來代表，從遠古的石器時代、到銅器，再進步到鐵器時代。現今，以矽為原料的電子元件產值，則超過了以鋼為原料的產值，人類的歷史因而正式進入了一個新的時代，也就是矽的時代。矽所代表的正是半導體元件，包括記憶元件、微處理機、邏輯元件、光電元件與偵測器等等在內，舉凡電視、電話、電腦、電冰箱、汽車，這些半導體元件無時無刻都在為我們服務。 矽是地殼中最常見的元素，許多石頭的主要成分都是二氧化矽，然而，經過數百道製程做出的積體電路，其價值可達上萬美金；把石頭變成矽晶片的過程是一項點石成金的成就，也是近代科學的奇蹟！ 在日本，有人把半導體比喻為工業社會的稻米，是近代社會一日不可或缺的。在國防上，惟有紮實的電子工業基礎，才有強大的國防能力，1991年的波斯灣戰爭中，美國已經把新一代電子武器發揮得淋漓盡致。從1970年代以來，美國與日本間發生多次貿易摩擦，但最後在許多項目美國都妥協了，但是為了半導體，雙方均不肯輕易讓步，最後兩國政府慎重其事地簽訂了協議，足證對此事的重視程度，這是因為半導體工業發展的成敗，關係著國家的命脈，不可不慎。在台灣，半導體工業是新竹科學園區的主要支柱，半導體公司也是最賺錢的企業，台灣如果要成為明日的科技矽島，半導體工業是我們必經的途徑。 貳●正文 半導體的定義與製造流程 所謂的半導體，是指在某些情況下，能夠導通電流，而在某些條件下，又具有絕緣體效用的物質；而至於所謂的IC，則是指在一半導體基板上，利用氧化、蝕刻、擴散等方法，將眾多電子電路組成各式二極體、電晶體等電子元件，作在一微小面積上，以完成某一特定邏輯功能（例如：AND、OR、NAND等），進而達成預先設定好的電路功能。隨著技術的進步，在一單一晶片聚集佰萬顆以上電晶體的IC，已非難事。 一般而言，一顆IC的完成，通常先後需經過電路設計、光罩製作、晶片製造、晶片封裝和測試檢查等步驟。 IC的上市，挾其輕、薄、短、小、省電、多功能、低成本等特長，席捲大半的半導體市場，成為半導體的主流產品。若按其製程技術來區分，可大略分為Bipolar 和MOS ( Metal Oxide Silicon )二大類。其中Bipolar製程技術發展較早，但集積度
第一部分元器件销售模式的发展 了解元器件销售模式的发展，首先需要了解基本器件的发展、基本器件应用的发展和商务平台的发展，因为当一种产品只有规模足够大到成为一个产业并在原有模式上前进缓慢的时候，才会形成分工。 基本器件的发展经历了两个阶段。 ●分立元件阶段（1905～1959）真空电子管、半导体晶体管 第一代电子产品以电子管为核心。四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子管。五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。 集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。 电子管时代（1905～1947的主要大事记： 1905年爱因斯坦阐述相对论——E＝mc2 1906年亚历山德森研制成高频交流发电机 德福雷斯特在弗菜明二极管上加栅极，制威第一只三极管 1912年阿诺德和兰米尔研制出高真空电子管 1917年坎贝尔研制成滤波器 1922年弗里斯研制成第一台超外差无线电收音机 1934年劳伦斯研制成回旋加速器 1940年帕全森和洛弗尔研制成电子模拟计算机 1947年肖克莱、巴丁和布拉顿发明晶体管；香农奠定信息论的基础 晶体管时代（1948～1959）的主要大事记： 1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱研制成第一个点接触型晶体管1948年贝尔实验室的香农发表信息论的论文 英国采用EDSAG计算机，这是最早的一种存储程序数字计算机 1949年诺伊曼提出自动传输机的概念 1950年麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器 1952年美国爆炸第一颗氢弹 1954年贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅 1957年苏联发射第一颗人造地球卫星 1958年美国得克萨斯仪器公司和仙童公司宣布研制成第一个集成电路 基本的分立器件 电容器电阻器晶体管电池线圈 ●集成电路阶段（1959～）SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI 自1958年第一块集成元件问世以来，集成电路已经跨越了小、中、大、超大、特大、巨大规模几个台阶，集成度平均每2年提高近3倍。随着集成度的提高，器件尺寸不断减小。 1985年，1兆位ULSI的集成度达到200万个元件，器件条宽仅为1微米；1992年，16兆位的芯片集成度达到了3200万个元件，条宽减到0.5微米，而后的64兆位芯片，其条宽仅为0.3微米。 发展图表如下。 基本器件应用的发展, 电子元器件的应用代表产品为计算机，计算机的发展推动了电子元器件产业的发展。伴随着电子技术 的发展而飞速发展起来的电子计算机经历了四个阶段。 ●第一代（1946～1957）电子管计算机
电子元器件的发展历程及未来趋势 每种事物都有其自身的发展历史和发展规律，电子元器件也不例外，它历经了经典电子元器件、小型化电子元器件、一般微电子元器件、智能微电子元器件时代，未来正在迈向量子电子元器件时代。 电子元器件的发展离不开电子信息技术和整机的发展，二者是相互促进，相互牵制的关系。 微电子元器件包括集成电路、混合集成电路、片式和扁平式元件和机电组件、片式半导体分立器件等。微电子指采用微细工艺的集成电路，随集成电路集成度和复杂度的大幅度提高、线宽越来越细和采用铜导线，其基频和处理速度也大幅度提高，在电子线路中其周边的其他元器件必然要有相应速率的处理速度，才能完成所承担的功能。因此，需要通过整个设备及系统来分析元器件的发展。 表1电子元器件的发展阶段及特点
上述电子元器件的发展阶段的划分是2001年提出来的，但近年来电子技术和电子产业的发展很快，新技术，新产品不断涌现，尤其是智能化产品和系统越来越普及，智能化已经到来，同时，量子技术有了突破，信息技术有可能进入“量子化时代”。 智能化已经到来观察一下我们周围，可以发现，智能化家用电子及电器，如智能电视机、电灶具、电热水器等；智能化终端如手机、手表式终端等，智能化汽车电子及智能化公交系统等，其发展的总趋势是以智能化为核心的信息化，系统化和网络化。 这些变化也可以从智能化设备和系统框图构成来分析对电子元器件的新要求： 1）指挥控制系统--嵌入式处理器芯片，高速，大容量的集成电路，计算芯片已经渗入到各种系统和产品中。整机采用双核、四核，八核以至更多的芯片并行，以加速运算速率的智能化处理。 2）信息采集系统--以传感器为代表将各种信息转化为电信号，并进行处理。传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。 如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置--传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”. 但是目前传感器的发展已成为一个瓶颈，对其品质、稳定性、一致性与可靠性等程度要求越来越高。还出现如数字话筒、智能传感器模块等一些数字化器件。 3）传输系统--信号荷载信息，经过不同的频率交换、调制或编码，变成适当的形式，以便适合于各种不同媒介质的传输。传输系统需要高速大容量网络，包括无线、有线传输，常由两者结合传输。 a）传输系统为有更高的传输速率和带宽，对元器件品质要求如；高频、带宽、阻抗匹配、电磁干扰、稳定性与耗损等等特性有更加严格的要求，这将导致这些符合条件的元器件发展更快。 b）光网络，光电结合更加普及，如光纤到户（FTTH），光纤到桌（FTTD），许多终端都有光接口。光电结合和转化的元器件如光器件，光电转化元器件等不断出现和高速发展。 网络传输速率越来越快，如3G通信，国际电联“IMT-2000”（国际移动电话2000）标准规定，移动终端以车速移动时，其传转数据速率为144kbps,室外静止或步行时速率为384kbps,而室内为2Mbps.4G是集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。4G系统能够以100Mbps的速度下载，上传的速度也能达到20Mbps. 4）执行系统--如控制元件（继电器，包括固体继电器）、微特电机及功能性电子元器件发展更快。功能性电子元器件是具有某些独特功能的元器件，如频率、时频及显示器件
社会经济的发展与材料科学的演变 材料科学的进步左右着人类文明的发展进程。一种新材料的应用，往往事关一个产业的兴衰。新材料产业已经渗透到国民经济、社会生活和国防建设的方方面面。目前，我国还只是一个材料大国，离材料强国还有较大差距。 新材料是战略性新兴产业的重要组成部分。新材料在我国经济发展中的作用如何？我国在世界材料领域占据怎样的位置？今后当重点培育哪些新材料？我国如何由材料大国向材料强国加快转变？ 在人类社会的发展过程中，材料的发展水平始终是时代进步和社会文明的标志。人类和材料的关系不仅广泛密切，而且非常重要。事实上，人类文明的发展史，就是一部如何更好地利用材料和创造材料的历史。同时，材料的不断创新和发展，也极大地推动了社会经济的发展。在当代，材料、能源、信息是构成社会文明和国民经济的三大支柱，其中材料更是科学技术发展的物质基础和技术先导。以下从三个方面来分析社会经济发展和材料科学与工程学科发展之间的密切关系。 1. 社会经济的发展对材料学科的发展始终发挥着巨大的推动作用 从25000年前人类开始学会使用各种用途的锋利石片，到10000年前人类第一次有意识地创造了自然界没有的新材料（陶器），是人类社会进步的象征，也是社会经济发展的结果。继陶器时代之后，由于人们生活方式的变化和战争等方面的原因，青铜的冶炼技术被发明并逐步达到很高的水平。后来罗马人发明了水泥，腓尼基人发明了玻璃，这些传统材料至今仍然为现代社会大量使用。当然，这些材料本身总是日新月异地变化着，在高新技术的推动和社会经济发展的要求下，其性能不断提高，从而满足了不同层次的社会需求。 人们至今仍记忆犹新的是近代的两次工业革命。第一次是由于钢铁材料的大规模发展，人们能够制造出无数的纺织机械和蒸汽机，给社会创造出巨大的财富。社会经济的巨大发展，使钢铁工业迅速增长。钢铁材料的大量使用，对其性能提出更高的要求，从而带动了金属材料学科（即金相学）的迅速发展。第二次工业革命是以能源（石油）的开发和应用为突破口，大力发展汽车、飞机及其他工业。新材料的开发和应用仍然是这次工业革命的基础，特别是高性能合金钢和高性能铝合金的广泛应用。制造工业尤其是汽车工业的发展，使合金钢的优异性能完美
全球和中国半导体产业发展历史和大事记 1947年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管，从而开创了人类的硅文明时代。 1956年，我国提出“向科学进军”，根据国外发展电子器件的进程，提出了中国也要研究半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。中国科学院应用物理所首先举办了半导体器件短期培训班。请回国的半导体专家黄昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制造技术和半导体线路。在五所大学――北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学开办了半导体物理专业，共同培养第一批半导体人才。培养出了第一批著名的教授：北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德、吉林大学的高鼎三。1957年毕业的第一批研究生中有中国科学院院士王阳元（北京大学微电子所所长）、工程院院士许居衍（华晶集团中央研究院院长）和电子工业部总工程师俞忠钰（北方华虹设计公司董事长）。 1957年，北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一所开发锗晶体管。当年，中国相继研制出锗点接触二极管和三极管（即晶体管）。 1958年，美国德州仪器公司和仙童公司各自研制发明了半导体集成电路（IC）之后，发展极为迅猛，从SSI（小规模集成电路）起步，经过MSI（中规模集成电路），发展到LSI（大规模集成电路），然后发展到现在的VLSI（超大规模集成电路）及最近的ULSI（特大规模集成电路），甚至发展到将来的GSI （甚大规模集成电路），届时单片集成电路集成度将超过10亿个元件。 1959年，天津拉制出硅（Si）单晶。 1960年，中科院在北京建立半导体研究所，同年在河北建立工业性专业化研究所――第十三所（河北半导体研究所）。 1962年，天津拉制出砷化镓单晶（GaAs），为研究制备其他化合物半导体打下了基础。 1962年，我国研究制成硅外延工艺，并开始研究采用照相制版，光刻工艺。 1963年，河北省半导体研究所制成硅平面型晶体管。 1964年，河北省半导体研究所研制出硅外延平面型晶体管。 1965年12月，河北半导体研究所召开鉴定会，鉴定了第一批半导体管，并在国内首先鉴定了DTL型（二极管――晶体管逻辑）数字逻辑电路。1966年底，在工厂范围内上海元件五厂鉴定了TTL电路产品。这些小规模双极型数字集成电路主要以与非门为主，还有与非驱动器、与门、或非门、或门、以及与或非电路等。标志着中国已经制成了自己的小规模集成电路。 1968年，组建国营东光电工厂（878厂）、上海无线电十九厂，至1970年建成投产，形成中国IC产业中的“两霸”。 1968年，上海无线电十四厂首家制成PMOS（P型金属－氧化物半导体）电路（MOSIC）。拉开了我国发展MOS电路的序幕，并在七十年代初，永川半导体研究所（现电子第24所）、上无十四厂和北京878厂相继研制成功NMOS电路。之后，又研制成CMOS电路。 七十年代初，IC价高利厚，需求巨大，引起了全国建设IC生产企业的热潮，共有四十多家集成电路工厂建成，四机部所属厂有749厂（永红器材厂）、871（天光集成电路厂）、878（东光电工厂）、4433厂（风光电工厂）和4435厂
电子元器件的发展历程及未来趋势
电子元器件的发展历程及未来趋势 每种事物都有其自身的发展历史和发展规 律，电子元器件也不例外，它历经了经典电子元器件、小型化电子元器件、一般微电子元器件、 智能微电子元器件时代，未来正在迈向量子电子元器件时代。 电子元器件的发展离不开电子信息技术和 整机的发展，二者是相互促进，相互牵制的关系。 微电子元器件包括集成电路、混合集成电路、片式和扁平式元件和机电组件、片式半导体分立器件等。微电子指采用微细工艺的集成电路，随集成电路集成度和复杂度的大幅度提高、线宽越来越细和采用铜导线，其基频和处理速度也大幅度提高，在电子线路中其周边的其他元器件必然要有相应速率的处理速度，才能完成所承担的功能。因此，需要通过整个设备及系统来分析元器件的发展。
年提出来的，但近年来电子技术和电子产业的发展很快，新技术，新产品不断涌现，尤其是智能化产品和系统越来越普及，智能化已经到来，同时，量子技术有了突破，信息技术有可能进入“量子化时代”。 智能化已经到来观察一下我们周围，可以发 现，智能化家用电子及电器，如智能电视机、电
灶具、电热水器等；智能化终端如手机、手表式终端等，智能化汽车电子及智能化公交系统等，其发展的总趋势是以智能化为核心的信息化，系统化和网络化。 这些变化也可以从智能化设备和系统框图构成来分析对电子元器件的新要求： 1）指挥控制系统--嵌入式处理器芯片，高速，大容量的集成电路，计算芯片已经渗入到各种系统和产品中。整机采用双核、四核，八核以至更多的芯片并行，以加速运算速率的智能化处理。 2）信息采集系统--以传感器为代表将各种信息转化为电信号，并进行处理。传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。 如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸，当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置--传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”. 但是目前传感器的发展已成为一个瓶颈，对其品质、稳定性、一致性与可靠性等程度要求越来越高。还出现如数字话筒、智能传感器模块等一些数字化器件。 3）传输系统--信号荷载信息，经过不同的频率交换、调制或编码，变成适当的形式，以便适合于各种不同媒介质的传输。传输系统需要高速大容量网络，包括无线、有线传输，常由两者结合传输。 a）传输系统为有更高的传输速率和带宽，对元器件品质要求如；高频、带宽、阻抗匹配、电磁干扰、稳定性与耗损等等特性有更加严格的
材料是人类生活和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具。可以这样说，自从人类一出现就开始了使用材料。材料的历史与人类史一样久远。从考古学的角度，人类文明曾被划分为旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等，由此可见材料的发展对人类社会的影响。材料也是人类进化的标志之一，任何工程技术都离不开材料的设计和制造工艺，一种新材料的出现，必将支持和促进当时文明的发展和技术的进步。从人类的出现到20世纪的今天，人类的文明程度不断提高，材料及材料科学也在不断发展。在人类文明的进程中，材料大致经历了以下五个发展阶段。 1．使用纯天然材料的初级阶段 在原古时代，人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），相当于人们通常所说的旧石器时代。这一阶段，人类所能利用的材料都是纯天然的，在这一阶段的后期，虽然人类文明的程度有了很大进步，在制造器物方面有了种种技巧，但是都只是纯天然材料的简单加工。 2．人类单纯利用火制造材料的阶段 这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代、铜器时代和铁器时代，也就是距今约10000年前到20世纪初的一个漫长的时期，并且延续至今，它们分别以人类的三大人造材料为象征，即陶、铜和铁。这一阶段主要是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代。例如人类用天然的矿土烧制陶器、砖瓦和陶瓷，以后又制出玻璃、水泥，以及从各种天然矿石中提炼铜、铁等金属材料，等等。 3．利用物理与化学原理合成材料的阶段 20世纪初，随着物理学和化学等科学的发展以及各种检测技术的出现，人类一方面从化学角度出发，开始研究材料的化学组成、化学键、结构及合成方法，另一方面从物理学角度出发开始研究材料的物性，就是以凝聚态物理、晶体物理和固体物理等作为基础来说明材料组成、结构及性能间的关系，并研究材料制备和使用材料的有关工艺性问题。由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，从而出现了材料科学。在此基础上，人类开始了人工合成材料的新阶段。这一阶段以合成高分子材料的出现为开端，一直延续到现在，而且仍将继续下去。人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料的三大支柱。除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表。 从这一阶段开始，人们不再是单纯地采用天然矿石和原料，经过简单的煅烧或冶炼来制造材料，而且能利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料。并且根据需要，人们可以在对以往材料组成、结构及性能间关系的研究基础上，进行材料设计。使用的原料本身有可能是天然原料，也有可能是合成原料。而材料合成及制造方法更是多种多样。 4．材料的复合化阶段 20世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来。随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及最近出现的抗菌材料的热潮，都是复合材料的典型实例。它们都是为了适应高新技术的发展以及人类文明程度的提高而产生的。到这时，人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计独特性能的材料。 现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能变成3加3等于6，而是要想办法使他们变成3乘以3等于9，乃至更大。 严格来说，复合材料并不只限于两类材料的复合。只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料。 5．材料的智能化阶段 自然界中的材料都具有自适应、自诊断合资修复的功能。如所有的动物或植物都能在没
GaN基半导体材料发展历史和现状 20世纪90年代中期，日本日亚化学公司的Nakamura等人经过不懈努力突破了制造蓝光LED的关键技术。GaN基蓝色LED的出现，大大扩展了LED的应用领域，从此掀开了第三代半导体材料GaN基半导体照明的革命。 GaN材料具有许多Si基半导体材料所不具备的优异性能，具有禁带宽度大、高电子漂移饱和速度、导热性能好、化学稳定性高等优点,比较适合用于雷达、导弹、通信、潜艇、航空航天及石油、化工、钻探、核电站等领域的电子设备,对于抗辐射、耐高温、高频、微波、大功率器件,尤其是利用其大的禁带宽度制作的蓝色、绿色、紫外发光器件和光探测器件,具有极大地发展空间和广阔的应用市场GaN半导体材料。 衬底材料的选择 [1]结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小； [2]界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强； [3]化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀； [4]热学性能好，包括导热性好和热失配度小； [5]导电性好，能制成上下结构； [6]光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小； [7]机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等； [8]价格低廉； [9]大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。 GaN器件目前存在的问题 GaN材料折射率（2.5），高于蓝宝石衬底（1.7）以及外部封装树脂（1.5） Snell定律è临界角23度 有源区产生的光子在GaN 上下界面发生多次全反射，严重降低器件的光提取效率。 大量不能出射的光转化为热能，提高节温，加剧晶格振动，影响内部量子效率，降低寿命。 提高外量子效率的方法 在p 型GaN材料或铟锡氧化物（ITO）层表面制作二维结构来提高器件的光提取效率； 在蓝宝石衬底的底面制作类似透镜阵列的结构来提高底面的光提取效率； 在蓝宝石衬底制作二维结构，然后生长GaN材料制作成器件。patterned sapphire substrates 研究表明，第三种方法同时具有提高内量子效率和提取效率的效果。 相对于普通蓝宝石衬底，在PSS衬底上生长氮化镓外延层可以减少外延缺陷，外延层晶体质量明显提高。另外，当光从外延层进入图形衬底时，会形成反射，从而改善GaN基发光二极管出光率。
半导体材料的研究进展 摘要:随着全球科技的快速发展,当今世界已经进入了信息时代,作为信息领域的命脉,光电子技术和微电子技术无疑成为了科技发展的焦点。半导体材料凭借着自身的性能特点也在迅速地扩大着它的使用领域。本文重点对半导体材料的发展历程、性能、种类和主要的半导体材料进行了讨论,并对半导体硅材料应用概况及其发展趋势作了概述。 关键词:半导体材料、性能、种类、应用概况、发展趋势 一、半导体材料的发展历程 半导体材料从发现到发展,从使用到创新,拥有这一段长久的历史。宰二十世纪初,就曾出现过点接触矿石检波器。1930年,氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用,是半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成,成为半导体的研究成果的重大突破。50年代末,薄膜生长激素的开发和集成电路的发明,是的微电子技术得到进一步发展。60年代,砷化镓材料制成半导体激光器,固溶体半导体此阿里奥在红外线方面的研究发展,半导体材料的应用得到扩展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研制成功,是的半导体器件的设计与制造从杂志工程发展到能带工程,将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展,砷化镓和磷化烟等半导体材料成为焦点,用于制作高速高频大功率激发光电子器件等;近些年,新型半导体材料的研究得到突破,以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出超强优越性,被称为IT产业的新发动机。 新型半导体材料的研究和突破,常常导致新的技术革命和新兴产业的发展.以氮化镓为代表的第三代半导体材料,是继第一代半导体材料(以硅基半导体为代表和第二代半导体材料(以砷化镓和磷化铟为代表之后,在近10年发展起来的新型宽带半导体材料.作为第一代半导体材料,硅基半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机的出现和整个计算机产业的飞跃,并广泛应用于信息处理、自动控制等领域,对人类社会的发展起了极大的促进作用.硅基半导体材料虽然在微电子领域得到广泛应用,但硅材料本身间接能带结构的特点限制了其在光电子领域的应用.随着以光
电子技术发展史概述电子技术是十九世纪末、二十世纪初发展起来的新兴技术。由于物理学的重大突破，电子技术在二十世纪发展最为迅速，应用最为广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。 从20世纪60年代开始，电子器件出现了飞速的发展，而且随着微电子和半导体制造工艺的进步，集成度不断提高。CPLD／FPGA、ARM、DSP、A／D、D／A、RAM和ROM等器件之间的物理和功能界限正日趋模糊，嵌入式系统和片上系统(SOC)得已实现。以大规模可编程集成电路为物质基础的EDA技术打破了软硬件之间的设计界限，使硬件系统软件化。这已成为现代电子设计的发展趋势。 现在，人们已经掌握了大量的电子技术方面的知识，而且电子技术还在不断的发展着。这些知识是人们长期劳动的结晶。 我国很早就已经发现电和磁的现象，在古籍中曾有“磁石召铁”和“琥珀拾芥”的记载。磁石首先应用于指示方向和校正时间，在《韩非子》和东汉王充着《论衡》两书中提到的“司南”就是指此。以后由于航海事业发展的需要，我国在十一世纪就发明了指南针。在宋代沈括所着的《梦溪笔谈》中有“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也”的记载。这不仅说明了指南针的制造，而且已经发现了磁偏角。直到十二世纪，指南针才由阿拉伯人传入欧洲。 在十八世纪末和十九世纪初的这个时期，由于生产发展的需要，在电磁现象方面的研究工作发展的很快。库仑在1785年首先从实验室确定了电荷间的相互作用力，电荷的概念开始有了定量的意义。1820年，奥斯特从实验时发现了电流对磁针有力的作用，揭开了电学理论的新的一页。同年，安培确定了通有电流的线圈的作用与磁铁相似，这就指出了此现象的本质问题。有名的欧姆定律是欧姆在1826年通过实验而得出的。法拉第对电磁现象的研究有特殊贡献，他在1831年发现的电磁感应现
金属材料科学发展的历程与人类思 维方式的演变 摘要：纵览了人类思维方式的演变、自然科学和金属材料科学发展的历程，阐述了金属材料及其理论的层次性和相关性。介绍了我们为实现金属材料科学设计的规划轮廓。 关键字：材料科学物理金属学材料设计系统论 材料科学是探索研究和制造新材料规律的科学，它不仅指出特殊材料研制的特殊方法，而日‘还揭示出各种不同材料研制的共同规律。材料科学技术是一门技术科学，它介于基础科学和工程技术之间。与基础科学相比较，材料科学技术更接近于具体实践。而与工程技术相比较，它则更接近于理论研究。它是基础科学研究中基础理论转化为应用技术的中间环节。它的主要特点是将具体技术中带有共同性的科学问题集中起来加以研究。在材料科学研究中，探寻其中的哲学问题对材料科学技术的发展很有必要。 1．人类思维方式的演变与自然科学的发展 人类对客观世界的认识经历了“朴素整体论”和“分解论”(或称还原论)的时代，当前正处于向“系统论”演变的新时代。回顾人类思维方式的演变和科学发展的历程对我们进行创造性思维和卓有成效的工作是极为有益的。 中世纪以前的古代科学是处于“朴素整体论”的时代。由于低的生产力和科学水平的限制，人们并不知道每一事物是一个具有复杂结构的系统，也不能认清事物之间联系的细节，古代的先哲们就是在这种情况下追求事物的整体性和统一性的。古中国的先哲们就曾以“金、木、水、火、土”解释万物构成的世界。 随着生产力和科学水平的提高，人类进人了“分解论”的时代。人们运用割断事物之间联系的方法，把研究的事物从联系中抽出来，进行结构、特性、原因和结果的细致研究。首先是自然科学从哲学中脱解出来，随之，数学、天文学、物理学、化学、生物学等学科相继形成。随着人们认识的深化和知识的不断积累，这种“分解”进一步在每一学科内延续。 分解论的思维方式所追求的是对事物精确和严密的逻辑性描述，反对含糊笼统的臆断。人类每作一步分解，便有新的理论建立。人类运用这种思维方式取得了永远值得自豪的光辉成就。在这一时代出现了以哥白尼、伽俐略、牛顿和爱因斯坦等为代表的一大批成就卓著的科学家。 然而，分解论的思维方式并不是尽善尽美的，由于层层分解，忽略甚至完全割断事物之间的固有联系，就会使事物发生“变形”，以致使人们不能从整体上把握事物的性质和总的发展规律，甚至有时导致了精确性与正确性相冲突的结论。 “分久必合，合久必分”。由于生产力和科学技术的高度发展，知识的大量积累，分解论思维方式的局限性更加显露，导致了一个新的系统论思维方式的产生。
半导体的发展历程 半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。材料的导电性是由“传导带”（conduction band）中含有的电子数量决定。当电子从“价带”（valence band）获得能量而跳跃至“导电带”时，电子就可以在带间任意移动而导电。一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，通过电子传导或空穴传导的方式传输电流。基本简介 半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。 无线-潜力大 由于智能型手机消费者需求的增加，无线市场目前是半导体应用中，成长扩大速度最快的一个领域。随着智能型手机需求的增加，而朝向无线基地台的普及及网路基本设备的扩展发展。Databeans在该报告中指出，通讯应用的各部门均分成无线市场与有线市场两大类。分类为「无线」的产品包含行动电话(功能型手机，智能型手机)、无线基本设备(行动电话基地台等)、短距离无线(802.11、蓝牙，ZigBee，NFC)、及其他无线(无线电芯片等)部门。将无线市场视为单一部门来看，则该市场规模在半导体领域上，是仅次于计算机市场的第二大市场。2012年预计全球市场的销售额将比前一年增加6%，达到约755亿美金。这是约占半导体全球市场的25%市占率的水准。更进一步来看，无线市场是半导体消费整体市场中成长率最高的部门，预计接下来的五年间，成长率将大于整体市场的成长率。 主要特点 半导体五大特性∶掺杂性，热敏性，光敏性，负电阻率温度特性，整流特性。 ★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。 ★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。 晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。 共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。 电子-模型图自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。 电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。 空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。 载流子：运载电荷的粒子称为载流子。 导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。 本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。 本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。 复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。 动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。 载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴
电力电子器件的发展历程 电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。 ● 1904年出现了电子管（Vacuum tube)，能在真空中对电子流进行控制，并应 用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河 ● 20年代末出现了水银整流器（Mercury Rectifier），其性能和晶闸管 （Thyristor）很相似。在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所、轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电 ● 1947年美国贝尔实验室发明晶体管(Transistor)，引发了电子技术的一场革 命 ● 1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管（Thyristor） ● 1960年我国研究成功硅整流管（Silicon Rectifying Tube/Rectifier Diode） ● 1962年我国研究成功晶闸管（Thyristor） ● 70年代出现电力晶体管（Giant Transistor－GTR）、电力场效应管（Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor－MOSFET） ● 80年代后期开始：复合型器件。 以绝缘栅极双极型晶体管（Insulated －Gate Bipolar Transistor－IGBT）为代表,IGBT是电力场效应管（MOSFET）和双极结型晶体管（ Bipolar ● 90年代主要有： 功率模块（Power Module）：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应 用带来了很大的方便。 功率集成电路（Power Integrated Circuit－PIC）：把驱动、控制、保 护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前其功率 都还较小，但代表了电力电子技术发展的一个重要方向。 智能功率模块（Intelligent Power Module－IPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。 高压集成电路（High Voltage Integrated Circuit－HVIC）：一般指横 向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率集成电路（Smart Power Integrated Circuit－SPIC）：一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 一个弗莱明发明了二极管，另一个弗莱明发明了盘尼西林
从半导体材料的发展看科学发展的普遍规律 应数11 史益帆 2110908011 在人类文明的进程中，半导体材料的发现和应用无疑是其中值得大书特书的部分。很难想象没有半导体材料的世界会是怎样不同的模样。没有电子计算机，没有便捷的通信和网络，人类文明的发展的速度也会因此放慢许多。无需置疑，半导体材料在现在和将来很长一段时间里都将是科学研究的重要命题。作为这样一种重要的材料，其发展过程同其他许多重大发现一样充满了曲折，但人类的伟大往往在于坚持，也正是这样的曲折见证了科学的精神和智慧的光芒。我将从这段科学的发展谈起，通过半导体材料的发展探索科学发展的普适规律。 “半导体”这个词最早出现在1782年，Alexander Volta在他给伦敦皇家学会会刊的一篇文章中提到“半导体”这个概念。Volta 当时做了一个实验，目的是检验一个充电的静电计在与不同物质接触时的放电情况。通过这种方法，Volta能够区别金属、绝缘体和半导体。早期对于半导体的理解当然是肤浅的，科学家只是停留在表观上，以半导体指代那些导电性介于导体和绝缘体之间的物质。当时也有很多物理学家认为没有必要在半导体上浪费时间，因为当时作为半导体主要研究材料的是Ag2S，由其获得可重复性的实验结论较难，还有人怀疑半导体是否真正存在，有人甚至宣称：研究半
导体意味着科学的自杀。 我常常很敬佩那些迎难而上的科学家，尤其是那些在不被多数理解时却依然愿意在自己的科研领域默默耕耘的人。不得不承认，伟大的发现和创意往往在最初不被人看好，半导体并不是唯一遭此命运的一类物质。我们今天熟知的光纤在一开始同样不被人看好，致力于光纤研究的高锟当时还被人称作“疯子”。确实，要想让光纤达到普及，对技术和成本的要求都很高，但其最终的成功却是让世人惊艳的，高锟也最终因此获得了诺贝尔物理学奖。其实，这条规律也不只是在物理学、在科学上适用，在生活的方方面面我们都可以看到，越是走在时代前列的人就越是孤独。因此有人说，要想成为伟大的科学家，最重要的也许不是你的学识智力，而是你的精神，那种耐得住寂寞，安于自己本心而不为外物所干扰的定力。古往今来的事实皆表明，人云亦云只会始终平庸，有勇气独辟蹊径方能成就大业。 对半导体有更深一步的认识是在20世纪30年代后期，伴随它的是更先进的检测方法使得对纯度、化学计量比和晶格的精确控制成为可能。这正如光学显微镜、电子显微镜的发明都对各个学科的发展都产生了深远影响一样。中国古人说：工欲善其事，必先利其器。为了使科学中的量化成为可能，精密的测量是不可缺少的。尤
材料发展的回顾与展望未来 摘要：回顾过去，人类的生活、生产和发展离不开材料。从人类早期发展到现在，材料的发展在人类发展史上占着不可或缺的地位。直到现代，人类的材料生产与制备技术已经相当成熟，各种新材料如雨后春笋般不断涌现。展望未来，材料依然将在人类社会的各个方面扮演重要角色。主要向半导体材料、结构材料、有机高分子材料等方向发展。 关键词：材料，发展 一、回顾材料发展历程 材料是人类生活和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具。人类文明曾被划分为旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等，由此可见材料的发展对人类社会的影响——没有材料就是没有发展。 人类诞生以前其实就有了材料，材料的历史与人类史一样久远，可能还要比之久远呢！ 在人类文明的进程中，材料大致经历了以下五个发展阶段，他们是 1．使用纯天然材料的初级阶段：旧石器时代,人类只能使用天然材料（如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等），之后也都只是纯天然材料的简单加工而已。 2．人类单纯利用火制造材料的阶段：新石器时代、铜器时代和铁器时代，是人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和加工的时代，主要材料有：陶、铜和铁。 3．利用物理与化学原理合成材料的阶段：20世纪初，由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，从而出现了材料科学。在此基础上，人类开始了人工合成材料的新阶段，主要材料：人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属材料和陶瓷材料（无机非金属材料）构成了现代材料（除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料。超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的杰出代表）。 4．材料的复合化阶段：20世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来。人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计独特性能的复合材料（只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料）。 5．材料的智能化阶段：如形状记忆合金、光致变色玻璃等等都是近年研发的智能材料（自然界中的材料都具有自适应、自诊断合资修复的功能，而目前研制成功的智能材料还只是一种智能结构）。 20 世纪以来，物理、化学、力学、生物学等学科的研究和发展推动了对于物质结构、材料的物理化学和力学性能的深入认识和了解。同时，金属学、冶金学、工程陶瓷技术、高分子科学、半导体科学、复合材料科学以及纳米技术等学科的发展促进了各种新型材料的产生,并推进了对于材料的制备、生产工艺、结构、性能及其相互之间关系的研究，为材料的设计、制造、工艺优化和材料功能和性能的合理使用，提供了充分的科学依据。现代材料科学更注重于研究新型复合材料和纳米材料的制备和创新，对于设计具有不同性能要求的材料复合工艺和纳米态材料的凝聚过程，以及各类材料之间的相互渗透和交叉的性能以及综合性能的研究给予了更多的重视。现代材料科学的发展不仅与揭露材料本质及其演化