(完整word版)2000年诺贝尔物理奖简介
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诺贝尔奖的评选诺贝尔(Noble,Alfred Bernhard),瑞典化学家。
1833年10月21日生于斯德哥尔摩,1896年12月10日卒于意大利圣雷莫。
诺贝尔1842年随家去俄国圣彼得堡居住。
1850年去巴黎学习化学一年,后又在美国J.埃里克森手下工作过4年。
回圣彼得堡后,在他父亲的工厂里工作。
1859年诺贝尔开始研究硝化甘油,但在1864年工厂爆炸。
为了防止以后再发生意外,诺贝尔将硝化甘油吸收在惰性物质中,使用比较安全。
诺贝尔称它为达纳炸药,并于1867年获得专利。
1875年诺贝尔将火棉(纤维素六硝酸酯)与硝化甘油混合起来,得到胶状物质,称为炸胶,比达纳炸药有更强的爆炸力,于1876年获得专利,1887年诺贝尔发展了无烟炸药。
他还有许多其他的发明,在橡胶合成、皮革及人造丝的制造商都获有专利。
诺贝尔经营油田和炸药生产,积累了巨大财富。
他逝世时将遗产大部分作为基金,每年以其利息(约20万美元)奖给前一年在物理学、化学、生理学或医学、文学及和平方面对人类作出巨大贡献的人士的奖金,即诺贝尔奖,于1901年第一次颁发。
1968年起,增设诺贝尔经济学奖金,由瑞典国家银行提供资金。
诺贝尔奖是根据A-B-诺贝尔遗嘱所设基金提供的奖项(1969年起由5个奖项增加到6个),每年由4个机构(瑞典3个,挪威1个)颁发。
1901年12月10日即诺贝尔逝世5周年时首次颁发。
诺贝尔在其遗瞩中规定,该奖应每年授予在物理学、化学、生理学或医学、文学与和平领域内“在前一年中对人类作出最大贡献的人”,瑞典银行在1968年增设一项经济科学奖,1969年第一次颁奖。
诺贝尔在其遗嘱中所提及的颁奖机构是:位于斯德哥尔摩的瑞典皇家科学院(物理学奖和化学奖)、皇家卡罗林外科医学研究院(生理学或医学奖)和瑞典文学院(文学奖),以及位于奥斯陆的、由挪威议会任命的诺贝尔奖评定委员会(和平奖),瑞典科学院还监督经济学的颁奖事宜。
为实行遗嘱的条款而设立的诺贝尔基金会,是基金的合法所有人和实际的管理者,并为颁奖机构的联合管理机构,但不参与奖的审议或决定,其审议完全由上述4个机构负责。
物理学大事年表约公元前6世纪,泰勒斯(Thales,公元前624?—546)记述了摩擦后的琥珀吸引轻小物体和磁石吸铁的现象。
公元前6世纪,《管子》中总结和声规律。
阐述标准调音频率,具体记载三分损益法。
约公元前5世纪,《考工记》中记述了滚动摩擦、斜面运动、惯性浮力等现象。
公元前5世纪,德谟克利特(Democritus,公元前460?—370?)提出万物由原子组成。
公元前400年,墨翟(公元前478?—前392?)在《墨经》中记载并论述了杠杆、滑轮、平衡、斜面、小孔成像及光色与温度的关系。
公元前4世纪,亚里士多德(Aristotle,前384—前322)在其所著《物理学》中总结了若干观察到的事实和实际的经验。
他的自然哲学支配西方近2000年。
公元前3世纪,欧几里得(Euclid,前330?—前260?)论述光的直线传播和反射定律。
公元前3世纪,阿基米德(Archimedes,前287?—前212)发明许多机械,包括阿基米德螺旋;发现杠杆原理和浮力定律;研究过重心。
公元前3世纪,古书《韩非子》记载有司南;《吕氏春秋》记有慈石召铁。
公元前2世纪,刘安《前179—前122》著《准南子》,记载用冰作透镜,用反射镜作潜望镜,还提到人造磁铁和磁极斥力等。
1世纪,古书《汉书》记载尖端放电、避雷知识和有关的装置。
王充(27—97)著《论衡》,记载有关力学、热学、声学、磁学等方面的物理知识。
希龙(Heron,62—150)创制蒸汽旋转器,是利用蒸汔动力的最早尝试,他还制造过虹吸管。
2世纪,托勒密(C.Ptolemaeus,100?—170?)发现大气折射。
张衡(78—139)创制地动仪,可以测报地震方位,创制浑天仪。
王符(85—162)著《潜夫论》分析人眼的作用。
5世纪,祖冲之(429—500),改造指南车,精确推算л值,在天文学上精确编制《大明历》。
8世纪,王冰(唐代人)记载并探讨了大气压力现象。
11世纪,沈括(1031—1095)著《梦溪笔谈》,记载地磁偏角的发现,凹面镜成像原理和共振现象等。
2000年诺贝尔物理学奖——信息技术方面的基础性工作2000年诺贝尔物理学奖授予俄罗斯科学家泽罗斯〃阿尔费罗夫、美国科学家赫伯特〃克勒默和杰克〃基尔比,他们因在“信息技术方面的基础性工作”而获本年度诺贝尔物理学奖。
若尔斯-阿尔费罗夫,来自俄罗斯圣彼得堡约飞物理技术学院,1930年3月15日出生于白俄罗斯的维捷布斯克,1952年毕业于列宁格勒的乌里扬诺夫电子技术学院电子系。
自1953年起,他一直担任约飞物理技术学院科学委员会委员。
他曾经获得物理学和数学博士学位,并于1970-1971年间成为美国伊利诺伊大学访问学者。
从1962年起,他一直致力于半导体异质结构的研究,目前任约飞学院院长,俄罗斯科学院副院长。
瑞典皇家科学院发布的新闻公报说,三位科学家“通过发明快速晶体管、激光二极管和集成电路”,为现代信息技术奠定了坚实基础。
其中,阿尔费罗夫和克勒默将分享今年一半的诺贝尔物理学奖奖金,以表彰他们在半导体异质结构研究方面的开创性工作。
基尔比则因在发明集成电路中所作的贡献,而获得了总额为900万瑞典克朗(约合100万美元)的奖金的另一半。
现代信息技术近几十年深刻改变了人类社会,它的发展必须具备两个简单但又是基本的先决条件:一是快速,即短时间里传输大量信息;二是体积小,携带起来方便,在任何场合都能使用。
三位科学家的成果满足了这两个要求。
阿尔费罗夫与克勒默为满足上述第一个先决条件作出了重要贡献。
他们发明的半导体异质结构技术,已广泛应用于制造高速光电子和微电子元件。
所谓异质结构半导体,主要由很多不同带隙的薄层组成。
目前,通信卫星和移动电话基站等都采用了异质结构技术制造的快速晶体管。
利用异质结构技术制造的激光二极管,也使光纤电缆传输因特网信息得以实现。
半导体异质结构技术还可用于制造发光二极管,汽车刹车灯和交通灯等都用到发光二极管,常用的电灯在未来也有可能被发光二极管取而代之。
赫伯特-克勒默,来自美国加利福尼亚大学,他于1952年获得德国哥丁根大学理论物理学硕士学位,毕业后一直致力于研究半导体设备。
历年诺贝尔物理学奖1901-19101901年诺贝尔物理学奖—— X射线的发现1902年诺贝尔物理学奖——塞曼效应的发现和研究1903年诺贝尔物理学奖——放射形的发现和研究1904年诺贝尔物理学奖——氩的发现1905年诺贝尔物理学奖——阴极射线的研究1906年诺贝尔物理学奖——气体导电1907年诺贝尔物理学奖——光学精密计量和光谱学研究1908年诺贝尔物理学奖——照片彩色重现1909年诺贝尔物理学奖——无线电报1910年诺贝尔物理学奖——气夜状态方程1911-19201911年诺贝尔物理学奖——热辐射定律的发现1912年诺贝尔物理学奖——航标灯自动调节器1913年诺贝尔物理学奖——低温物质的特性1914年诺贝尔物理学奖——晶体的X射线衍射1915年诺贝尔物理学奖—— X射线晶体结构分析1916年诺贝尔物理学奖——未授奖1917年诺贝尔物理学奖——元素的标识X辐射1918年诺贝尔物理学奖——能量级的发现1919年诺贝尔物理学奖——斯塔克效应的发现1920年诺贝尔物理学奖——合金的反常特性1921-19301921年诺贝尔物理学奖——对理论物理学的贡献1922年诺贝尔物理学奖——原子结构和原子光谱1923年诺贝尔物理学奖——基本电荷和光电效应实验1924年诺贝尔物理学奖—— X射线光谱学1925年诺贝尔物理学奖——弗兰克-赫兹实验1926年诺贝尔物理学奖——物质结构的不连续性1927年诺贝尔物理学奖——康普顿效应和威尔逊云室1928年诺贝尔物理学奖——热电子发射定律1929年诺贝尔物理学奖——电子的波动性1930年诺贝尔物理学奖——拉曼效应1931-19401931年诺贝尔物理学奖——未授奖1932年诺贝尔物理学奖——量子力学的创立1933年诺贝尔物理学奖——原子理论的新形式1934年诺贝尔物理学奖——未授奖1935年诺贝尔物理学奖——中子的发现1936年诺贝尔物理学奖——宇宙辐射和正电子的发现1937年诺贝尔物理学奖——电子衍射1938年诺贝尔物理学奖——中子辐照产生新放射性元素1939年诺贝尔物理学奖——回旋加速器的发明1940年诺贝尔物理学奖——未授奖1941-19501941年诺贝尔物理学奖——未授奖1942年诺贝尔物理学奖——未授奖1943年诺贝尔物理学奖——分子束方法和质子磁矩1944年诺贝尔物理学奖——原子核的磁特性1945年诺贝尔物理学奖——泡利不相容原理1946年诺贝尔物理学奖——高压物理学1947年诺贝尔物理学奖——电离层的研究v1948年诺贝尔物理学奖——云室方法的改进1949年诺贝尔物理学奖——预言介子的存在1950年诺贝尔物理学奖——核乳胶的发明1951-19601951年诺贝尔物理学奖——人工加速带电粒1952年诺贝尔物理学奖——核磁共振1953年诺贝尔物理学奖——相称显微法1954年诺贝尔物理学奖——波函数的统计解释和用符合法作出的发现1955年诺贝尔物理学奖——兰姆位移与电子磁矩1956年诺贝尔物理学奖——晶体管的发明1957年诺贝尔物理学奖——宇称守恒定律的破坏1958年诺贝尔物理学奖——切连科夫效应的发现和解释1959年诺贝尔物理学奖——反质子的发现1960年诺贝尔物理学奖——泡室的发明1961-19701961年诺贝尔物理学奖——核子结构和穆斯堡尔效应1962年诺贝尔物理学奖——凝聚态理论1963年诺贝尔物理学奖——原子核理论和对称性原理1964年诺贝尔物理学奖——微波激射器和激光器的发明1965年诺贝尔物理学奖——量子电动力学的发展1966年诺贝尔物理学奖——光磁共振方法1967年诺贝尔物理学奖——恒星能量的生成1968年诺贝尔物理学奖——共振态的发现1969年诺贝尔物理学奖——基本粒子及其相互作用的分类1970年诺贝尔物理学奖——磁流体动力学和新的磁性理论1971-19801971年诺贝尔物理学奖——全息术的发明1972年诺贝尔物理学奖——超导电性理论1973年诺贝尔物理学奖——隧道现象和约瑟夫森效应的发现1974年诺贝尔物理学奖——射电天文学的先驱性工作1975年诺贝尔物理学奖——原子核理论1976年诺贝尔物理学奖—— J/?粒子的发展1977年诺贝尔物理学奖——电子结构理论1978年诺贝尔物理学奖——低温研究和宇宙背景辐射1979年诺贝尔物理学奖——弱电统一理论1980年诺贝尔物理学奖—— C_P破坏的发现1981-19901981年诺贝尔物理学奖——激光光谱学与电子能谱学1982年诺贝尔物理学奖——相变理论1983年诺贝尔物理学奖——天体物理学的成就1984年诺贝尔物理学奖—— W±和Z?粒子的发现1985年诺贝尔物理学奖——量子霍尔效应1986年诺贝尔物理学奖——电子显微镜与扫描隧道显微镜1987年诺贝尔物理学奖——高温超导电性1988年诺贝尔物理学奖——中微子的研究1989年诺贝尔物理学奖——原子钟和离子捕集技术1990年诺贝尔物理学奖——核子的深度非弹性散射1991-20011991年诺贝尔物理学奖——液晶和聚合物1992年诺贝尔物理学奖——多斯正比室的发明1993年诺贝尔物理学奖——新型脉冲星1994年诺贝尔物理学奖——中子谱学和中子衍射技术1995年诺贝尔物理学奖——中微子和重轻子的发现1996年诺贝尔物理学奖——发现氦-3中的超流动性1997年诺贝尔物理学奖——激光冷却和陷俘原子1998年诺贝尔物理学奖——分数量子霍耳效应的发现1999年诺贝尔物理学奖——亚原子粒子之间电弱相互作用的量子结构2000年诺贝尔物理学奖——半导体研究的突破性进展2001年诺贝尔物理学奖——玻色爱因斯坦冷凝态的研究。
■ 533 ■物理雙月刊(廿二卷六期)2000年12月2000年諾貝爾物理獎簡介──半導體異質結構與積體電路陳永芳 台大物理系2000年的諾貝爾物理獎,頒給俄羅斯艾爾菲物理技術學院(Ioffe Physico-Technical Institute)的阿法洛夫(Z. I. Alferov)、美國加州聖塔巴巴拉大學的克洛姆(H. Kroemer)、以及美國德州儀器公司的基爾比(J. S. Kilby)。
他們三個人的得獎理由,是因為研究成果奠定了現代資訊科技的基石,尤其是有關於快速電晶體、雷射二極體和積體電路的發明。
人類的文明歷經石器時代、農業社會、工業社會,到現在已步入了資訊社會。
現今的資訊科技進展快速,著實令人目不暇給,我們正面臨著另一次的文化變革。
我們現在透過電腦能很快地接收或傳遞世界各地的信息,經由光纖網際網路能和全球各式各樣的社群交往;而藉著人造衛星,行動電話可以無孔不入的找到需要溝通的人。
二十年前,我們很難想像資訊科技會將人類社會引導入如此的境地,而現在它正變化快速地向不可知的未來邁進。
導致現代資訊科技發展的兩個主要條件,就是組成資訊系統的元件必需運作快速,且必需是輕、薄、短、小。
這些電子元件因為運件快速,所以能在短時間內處理大量資訊;又因為體積很小,所以能隨身攜帶,為一般的家庭、辦公室所接受。
阿法洛夫和克拉姆利用半導體異質結構所發明的快速,光電元件是現代資訊科技的必備元件,例如人造衛星與行動電話中的快速電晶體,在光纖中傳遞訊息的雷射二極體,以及雷射唱盤所使用的雷射。
基爾比所發明的積體電路,將各種不同的電子元件聚集在同一晶片上,使得功能強大、複雜的電路系統能被微小化,促成了現今微電子工業的蓬勃發展。
以下就簡單介紹半導體異質結構的基本特性與應用、積體電路的發展沿革,以及未來的展望。
半導體異質結構的基本特性所謂半導體異質結構,就是將不同材料的半導圖一 半導體異質結構雷射的基本組成。
■ 534 ■物理雙月刊(廿二卷六期)2000年12月體薄膜,依先後次序沈積在同一基座上。
人类智力的第一次飞跃--2000年诺贝尔物理奖成果简介胡必禄;钟生海;汪纯;张智斌
【期刊名称】《安康学院学报》
【年(卷),期】2001(013)002
【摘要】简介了集成电路、半导体异质结构的发明、发展及其效应和启示.
【总页数】3页(P89-91)
【作者】胡必禄;钟生海;汪纯;张智斌
【作者单位】安康师范专科学校,物理系;安康师范专科学校,物理系;安康师范专科学校,物理系;安康市老科协,陕西,安康,725000
【正文语种】中文
【中图分类】O4-1
【相关文献】
1.2000年度诺贝尔物理奖 [J], 无
2.从前沿趋势看创新人才的培养——访2000年诺贝尔物理奖获得者Zhores Ivannovich Alferov [J], 韩跃清
3.智力研究新成果荟萃——《论智力工程》简介 [J], 草婴
4.强相互作用量子色动力学的渐近自由——2004年诺贝尔物理奖成果简介 [J], 张肇西
5.智力成果共有,还是智力成果收益共有——一方智力成果发生之夫妻共有对象探讨 [J], 许莉
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第一节诺贝尔物理学奖的颁发已经有109年的历史了。
这100年正是现代物理学大发展的时期。
诺贝尔物理学奖包括了物理学的许多重大研究成果,遍及现代物理学的各个主要领域。
100年来的颁奖显示了20世纪物理学发展的轨迹。
可以说,诺贝尔物理学奖是20世纪物理学伟大成就的缩影,折射出了现代物理学的发展脉络。
诺贝尔物理学奖的颁发体现了物理学新成果的社会价值和历史价值,对科学进步有举足轻重的作用。
每年的10月中旬,诺贝尔奖的宣布成了世界各国公众普遍关注的新闻。
从这一点就可以看出,诺贝尔奖有何等广泛的社会影响,人们关心比较多的是:什么项目获奖?是哪国人得奖?他们作出了什么贡献?他们是怎样取得成果的?每年年末或翌年年初,各种报刊杂志,特别是科普杂志往往都要刊载几篇有关诺贝尔奖的文章,以飨读者。
这门课把1百年来诺贝尔物理学奖的资料集中在一起,比较系统地提供给读者。
本书按年代分述获奖情况,主要阐述各奖项的科学成果,这些成果的意义和价值,分析其历史渊源和社会背景,这些成果是在怎样的历史条件下取得的?经过了哪些准备?同时也将介绍获奖者的生平业绩,对物理学发展作出的杰出贡献,着重说明他们的创造性活动、他们的思想源泉、他们执著追求和献身科学的精神。
收集他们从小热爱科学、接受教育的成长历程,以及他们作出成果的经验和体会。
例如:他们是如何继承前人、吸收他人的成果,作出伟大综合;又是如何在综合的基础上进行创新?他们是如何作出突破性进展的?他们为什么能取得突破性的进展?以及他们是怎样提出假设,怎样设计新实验,怎样取得决定性的科学结论?他们是怎样开拓新领域、研究新问题、创建新学科的?我才疏学浅,实在难以充分地、全面地、深入地消化诺贝尔物理学奖给人们提供的各种有价值的信息。
对于错误和纰漏,诚望各位同学指正。
一、诺贝尔物理学奖简介诺贝尔(Alfred Bernhard Nobel,1833—1896)是一位瑞典发明家的儿子,他从小健康欠佳,因此主要靠家庭教师教育。
2000年诺贝尔物理奖简介——半导体研究的突破性进展若尔斯阿尔费罗夫基尔比赫伯特克勒默2000年的诺贝尔物理奖,颁给俄罗斯艾尔菲物理技术学院(Ioffe Physico-Technical Institute)的阿法洛夫(Z. I. Alferov)、美国加州圣塔巴巴拉大学的克洛姆(H. Kroemer)、以及美国德州仪器公司的基尔比(J. S. Kilby)。
他们三个人的得奖理由,是因为研究成果奠定了现代信息科技的基石,尤其是有关于快速晶体管、激光二极管和集成电路的发明。
人类的文明历经石器时代、农业社会、工业社会,到现在已步入了信息社会。
现今的信息科技进展快速,着实令人目不暇给,我们正面临着另一次的文化变革。
我们现在透过计算机能很快地接收或传递世界各地的信息,经由光纤因特网能和全球各式各样的社群交往;而借着人造卫星,行动电话可以图一半导体异质结构激光的基本组无孔不入的找到需要沟通的人。
二十年前,我们很难想象信息科技会将人类社会引导入如此的境地,而现在它正变化快速地向不可知的未来迈进。
导致现代信息科技发展的两个主要条件,就是组成信息系统的组件必需运作快速,且必需是轻、薄、短、小。
这些电子组件因为运件快速,所以能在短时间内处理大量信息;又因为体积很小,所以能随身携带,为一般的家庭、办公室所接受。
阿法洛夫和克拉姆利用半导体异质结构所发明的快速,光电组件是现代信息科技的必备组件,例如人造卫星与行动电话中的快速晶体管,在光纤中传递讯息的激光二极管,以及激光唱盘所使用的激光。
基尔比所发明的集成电路,将各种不同的电子组件聚集在同一芯片上,使得功能强大、复杂的电路系统能被微小化,促成了现今微电子工业的蓬勃发展。
以下就简单介绍半导体异质结构的基本特性与应用、集成电路的发展沿革,以及未来的展望。
半导体异质结构的基本特性:所谓半导体异质结构,就是将不同材料的半导体薄膜,依先后次序沈积在同一基座上。
例如图一所描述的就是利用半导体异质结构所作成的激光之基本架构。
为了说明半导体异质结构的基本特性,就以最简单的结构作为例子,如图二所示。
在图二中,中间有一层砷化图二 砷化镓与砷化铝镓异质结构量子井的简图。
镓,其被二边的砷化铝钾夹住,因为砷化镓的能隙较砷化铝镓小,所以就产生了如图二下半部的能带排列结构,以下就简单描述一些半导体异质结构的特性。
(1)量子效应:因中间层的能阶较低,电子很容易掉落下来被局限在中间层,而中间层可以只有几十埃(1埃=10-10米)的厚度,因此在如此小的空间内,电子的特性会受到量子效应的影响而改变。
例如:能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变等,其中能态密度与能阶位置,是决定电子特性很重要的因素。
(2)迁移率(Mobility)变大:半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献,因此在一般的半导体材料中,自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。
然而在异质结构中,可将杂质加在两边的夹层中,该杂质所贡献的电子会掉到中间层,因其有较低的能量(如图三所示)。
因此在空间上,电子与杂质是分开的,所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制,因此其迁移率就可以大大增加,这是高速组件的基本要素。
(3)奇异的二度空间特性:因为电子被局限在中间层内,其沿夹层的方向是不能自由运动的,因此该电子只剩下二个自由度的空间,半导体异质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。
低维度的电子特性相当不同于三维者,如电子束缚能的增加、电子与空穴复合率变大,量子霍尔效应,分数霍尔效应等。
科学家利用低维度的特性,已经已作出各式各样的组件,其中就包含有光纤通讯中的高速光电组件,而量子与分数霍尔效应分别获得诺贝尔物理奖。
(4)人造材料工程学:半导体异质结构之中间层或是两旁的夹层,可因需要不同而改变。
例如以砷化镓来说,镓可以被铝或铟取代,而砷可以用磷、锑、或氮取代,所设图三 半导体异质结构的调制掺杂现象,其可将自由电子或杂质在空间上分隔。
计出来的材料特性因而变化多端,因此有人造材料工程学的名词出现。
最近科学家将锰原子取代镓,而发现具有铁磁性的现象,引起很大的重视,因为日后的半导体组件,有可能因此而利用电子自旋的特性。
此外,在半导体异质结构中,如果邻近两层的原子间距不相同,原子的排列会被迫与下层相同,那么原子间就会有应力存在,该应力会改变电子的能带结构与行为。
现在该应力的大小已可由长晶技术控制,因此科学家又多了一个可调变半导体材料的因素,产生更多新颖的组件,例如硅锗异质结构高速晶体管。
从以上的描述,可以理解到半导体异质结构提供一个很好的方向,可以用来调变半导体的特性,不论是在学术上或是应用上都具有很大的潜力。
然而该研究在早期确是受到很大的质疑,其主要原因在于要用什么样的方法,才能长出平整的薄膜,而且只具有一个原子大小的厚度。
著名的物理学家诺贝尔奖得主宜沙基(Esaki),早期有关此方面的论文曾被退稿(PhysicalReview Letters),其中评审的意见是“理论太过简单,而实验上不可行”,至今他仍然忿忿不平。
因此在此领域的研究先驱,必须有足够的胆识与毅力才能有今日的成就。
半导体异质结构的应用:(1)发光组件(light emitting devices, LED):因为半导体异质结构能将电子与空穴局限在中间层内,电子与空穴的复合率因而增加,所以发光的效率较大;同时改变量子井的宽度亦可以控制发光的频率,所以现今的半导体发光组件,大都是由异质结构所组成的。
半导体异质结构发光组件,相较其它发光组件,具有高效率、省电、耐用等优点,因此广泛应用于剎车灯、交通号志灯、户外图四 激光唱盘需使用到半导体异质结构雷射二极管。
展示灯...等。
值得一提的是在1993年,日本的科学家研发出蓝色光的半导体组件,使得光的三原色红、绿、蓝,皆可用半导体制作,因此各种颜色都可用半导体发光组件得到,难怪大家预测家庭用的灯炮、日光灯,即将被半导体发光组件所取代。
(2)激光二极管:半导体激光二极管的基本构造,与上述的发光组件极为类似,只不过是激光二极管必须考虑到受激发光(stimulated emission)与共振的条件。
使用半导体异质结构,因电子与空穴很容易掉到中间层,因此载流子数目反转(populationinversion)较易达成,这是具有受激发光的必要条件,而且电子与电洞因被局限在中间层内,其结合率较大。
此外,两旁夹层的折射率与中间层不同,因而可以将光局限在中间层,致使光不会流失,而增加激光强度,是故利异质结构制作激光,有很大的优点。
第一个室温且连续发射的半导体异质结构激光,是在1970年由阿法洛夫领导的研究群所制作出来的,而克拉姆则在1963年发展了有关半导体异质结构激光的原理。
半导体激光二极管的应用范围亦相当广泛,如激光唱盘(如图四所示),高速光纤通讯、激光打印机、激光笔...等。
(3)异质结构双极晶体管:(heterojunction bipolar transistor, HBT)在半导体异质结构中,中间层有较低的能带,因此电子很容易就由旁边的夹层注入,是故在晶体管中由射极经过基极到集极的电流,就可以大为提高,晶体管的放大倍率也为之增加;同时基极的厚度可以减小,其掺杂浓度可以增加,因而反应速率变大,所以异质结构得以制作快速晶体管。
利用半导体异质结构作成晶体管的建议与其特性分析,图五 行动电话基地台的电波发射与接收需使用到半导体异质结构高速电子迁移率晶体管。
是由克接拉姆在1957提出的。
半导体异质结构双极晶体管因具有快速、高放大倍率的优点,因而广泛应用于人造卫星通讯或是行动电话...等。
(4)高速电子迁移率晶体管(high electron mobilitytransistor, HEMT)高速电子迁移率晶体管,就是利用半导体异质结构中杂质与电子在空间能被分隔的优点,因此电子得以有很高的迁移率。
在此结构中,改变闸极(gate)的电压,就可以控制由源极(source)到泄极(drain)的电流,而达到放大的目的。
因该组件具有很高的向应频率(600GHz)且低噪声的优点,因此广泛应用于无限与太空通讯(如图五所示),以及天文观测。
(5)其它应用:半导体异质结构除了用于上述组件外,亦大量使用于其它光电组件,如光侦测器、太阳电池、标准电阻或是光电调制器...等。
又因为长晶技术的进展,单层原子厚度的薄膜已能控制,因此半导体异质结构提供了高品质的低维度系统,让科学家能满足探求低维度现象的要求。
除了在二度空间观测到量子与分数量子霍尔效应外,科学家已进一步在探求异质结构中的一维与零维的电子行为,预期将来还会陆续有新奇的现象被发掘,也会有更多新颖的异质结构组件出现。
图六 摩尔定律描述动态内存密度随年代增加的情形。
集成电路的演进:集成电路因涉及将不同组件制作在同一芯片上,因此其成就较偏重于技术的突破,对于物理原理的贡献较缺乏。
然而其影响层面极为广泛,从计算机、洗衣机、电视、汽车、手表、医疗器材...等,含盖了所有现代的电子科技,其重要性难以估计。
发明集成电路的人,除了今年诺贝尔物理奖主基尔比外,还必须归功于诺宜斯(Robert Noyce)。
虽然基尔比在1958年首先制作出第一个集成电路组件,然而诺宜斯是第一个得到集成电路专利的人,并且真正使用于大量制造集成电路的材料组合(硅、二氧化硅、铝)也是诺宜斯发展出来的,他同时又是现今全世界最大的半导体公司英特尔(Intel)的共同创办人,诺宜斯在1990年过逝。
为了说明微小化的重要性与方便性,笔者先描述第一个计算机的特性(ENIAC)。
它是在1946年完成制造,含有17468个真空管,重达6万磅,体积达1万6千2百立方呎,耗电量为174千瓦。
它能在30秒完成弹道的计算,而使用计算尺需40小时。
相较于现在的科技,如今一个掌上型计算器的运算能力,早已经超越它的几仟倍了。
ENIAC在1955年就停止使用,原因是维持费用太过昂贵。
随着集成电路的发明,电子科技的微小化速率非常快速,使得电子工业突飞猛进。
然在这发展过程中,1947年晶体管的发明,亦扮演相当重要的角色。
相较于真空管,晶体管具有体积小、省电、耐用的优点,也因此晶体管的三个发明者在1956年共同得到了诺贝尔奖。
任职于英特尔公司的摩尔(Moore)提出了一个经验定律:每隔18-24个月,每单位面积的芯片所包含的电子组件数目会增加一倍。
就以微处器芯片来说,从1971年每个芯片含有2300个电子晶体管数,1982年的134000个,1993年的3100000个,到2000年的8000000个,可说进展神速。
笔者再介绍另一个重要的集成电路芯片:半导体内存。
从1970年的1kb,1986年的1Mb,到2000年的1Gb,在这三十年中,内存的容量增加了一百万倍(如图六所示),而内存中最重要的组件,金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),其闸极的宽度也从15微米一路降到0.18微米。