半导体材料以及其应用
半导体技术的新材料发展及应用
半导体技术的新材料发展及应用随着计算机、通讯、物联网和人工智能等新技术的不断快速发展，半导体技术在这些领域中的应用越来越广泛。
而随着人们对于新材料和新技术的不断探索，半导体材料的发展正处于一个新的突破点。
在这篇文章中，我们将深入探讨半导体技术的新材料发展及其应用。
一. 新材料的发展1. 碳化硅材料碳化硅（SiC）是一种非常有前途的半导体材料，具有良好的热导性能和耐高温性能。
碳化硅材料可以在高温下工作，因此适用于制造高温二极管和功率器件等。
目前，碳化硅材料已经在汽车、电力等领域得到广泛应用。
2. 氮化镓材料氮化镓（GaN）材料是一种具有高电子迁移率和高饱和电流密度的半导体材料。
它广泛应用在LED照明、光伏发电、无线通讯和雷达系统等领域。
氮化镓材料的特点是具有高亮度、长寿命、低能耗等优点。
3. 氮化铝材料氮化铝（AlN）是一种具有高热导性、高电绝缘性和高机械强度的半导体材料。
它广泛用于氮化镓LED、超声波传感器、高功率半导体器件、氢化物半导体器件等。
在这些领域中，氮化铝材料已经显示出更高的性能和更低成本。
二. 新材料的应用1. LED照明LED照明已经成为新能源照明领域发展的主流，这主要得益于氮化镓材料的广泛应用。
氮化镓材料的特点是具有高亮度、长寿命、低能耗等优点，因此可以替代传统的白炽灯和荧光灯。
LED照明在新能源领域中的应用已经日益增多。
2. 无线通讯随着人工智能、物联网等领域的快速发展，无线通讯的需求也在不断增加。
在这方面，氮化镓和碳化硅材料的应用得以广泛发展。
氮化镓材料的高频特性良好，是移动通讯中的重要材料，如5G基站中的功率放大器模块就采用氮化镓材料。
碳化硅材料因其高温性能良好，被广泛应用于电力电路中。
3. 太阳能电池氮化铝材料在太阳能电池中广泛应用，它具有高电绝缘性和高光学透过率等特点。
太阳能电池具有非常好的可再生性和环保性，因此也吸引了越来越多的人的关注。
4. 其他应用除了上述领域外，新材料还在许多其他领域得到广泛应用。
新型半导体材料及其在微电子中的应用
新型半导体材料及其在微电子中的应用随着科技的不断进步和人们对高速、高性能电子设备的需求不断增长，传统的半导体材料已经无法满足人们的要求。
因此，新型半导体材料应运而生。
新型半导体材料不仅具有较高的电子迁移率和较低的能带隙，还具有更好的热稳定性和机械性能，拥有广泛的应用前景。
本文将介绍几种新型半导体材料并讨论它们在微电子中的应用。
1. 石墨烯（Graphene）：石墨烯是一种由碳原子组成的单原子层二维结构材料。
它具有极高的载流子迁移率、优异的热导率和机械强度。
石墨烯被广泛用于微电子器件中，如智能手机、平板电脑、传感器等。
通过控制石墨烯的形状和结构，可以设计和制造出各种新型微电子器件，如超高速晶体管和柔性电子设备。
2. 二维过渡金属二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）：TMDs是一类由过渡金属和硫、硒等卤素组成的二维材料。
TMDs具有良好的光学、电学和磁学特性，以及调控能带结构的能力。
TMDs可用于制造光电器件、逻辑电路和存储器件等微电子元件。
此外，TMDs还可用于制备能量存储和转换装置，如电池和太阳能电池。
3. 有机半导体材料（Organic Semiconductor Materials）：有机半导体材料是一类由有机化合物制成的半导体材料。
它们具有低成本、可溶性和可加工性的优点。
有机半导体材料被广泛应用于有机场效应晶体管（OFETs）、有机发光二极管（OLEDs）和有机薄膜太阳能电池等微电子器件中。
此外，由于其柔性和可拉伸性，有机半导体材料还可以制造成柔性电子设备。
总的来说，新型半导体材料在微电子中有着极大的潜力和应用前景。
从石墨烯到TMDs、有机半导体材料和多元化合物半导体材料，这些新材料都在不同方面具有独特的性能和特点，并能为微电子设备的性能提供全新的可能性和解决方案。
随着科学技术的发展，相信新型半导体材料将会在未来得到更广泛的应用。
半导体的基本原理与应用
半导体的基本原理与应用在现代科技领域中，半导体技术作为一种重要的技术手段，广泛应用于电子设备、通信领域、光电子学等众多领域。
本文将介绍半导体的基本原理以及其在各个应用领域的应用。
一、半导体的基本原理半导体是介于导体和绝缘体之间的材料，其电导率介于两者之间。
半导体的电导率可以被外界环境或电磁场的改变所调控，具有可控性很强的特点。
半导体的基本原理有以下几个方面：1. 带隙：半导体的带隙是指能带中能量最高的不可占用能级与能带中能量最低的可占用能级之间的能量间隔。
半导体的带隙决定了其导电性质，一般分为直接带隙和间接带隙两种。
2. 杂质掺杂：半导体通过在其晶体结构中引入少量杂质，掺入一些外来的原子，从而改变其导电性能。
掺杂可以分为施主型掺杂和受主型掺杂两种，分别提高或降低材料的导电性能。
3. PN结：PN结是半导体器件中常见的结构，由两种掺杂类型不同的半导体材料接触而成。
PN结具有单向导电性，形成了半导体器件中重要的基础元件。
二、半导体的应用领域1. 电子设备：半导体技术在电子器件领域中有着广泛应用。
如晶体管、场效应管、二极管等都是基于半导体的器件，广泛应用于计算机、电视、手机等电子设备中。
半导体的小尺寸、低功耗以及高可靠性是其在电子设备中应用的重要原因。
2. 光电子学：半导体材料在光电转换中有着重要作用。
通过对半导体材料施加电场或光照，可以将电能转换为光能，实现光电转换效应。
例如，太阳能电池就是利用半导体材料将光能转化为电能的典型应用。
3. 通信领域：半导体技术在通信领域中发挥着至关重要的作用。
光纤通信系统利用半导体激光器将信号转换为光脉冲，并通过光纤传输实现远距离高速通信。
半导体材料的选择和应用直接影响通信系统的传输性能和稳定性。
4. 工业自动化：半导体器件在工业自动化领域中被广泛应用。
通过应用半导体材料制作的传感器、控制器等设备，可以实现对工业过程的实时监测和自动控制，提高生产效率和产品质量。
5. 医疗科技：半导体技术在医疗科技领域也有重要应用。
半导体材料的发展及应用
半导体材料的发展及应用随着科技的不断发展，半导体材料成为现代工业和电子领域中最重要的材料之一、半导体材料的发展经历了多个里程碑，从最初的硅晶体到现在的先进半导体材料，对于电子器件的性能和功能起到了至关重要的作用。
本文将探讨半导体材料的发展历程以及其在各个领域的应用。
半导体材料最早可以追溯到二十世纪初期，最初被用于收音机和无线电设备中。
然而，随着对电子器件的需求不断增加，人们开始研究能够控制电流和电压的材料。
1926年，物理学家朱利叶斯·埃德加·利尔德尔发现了由砷化镓和硒化铟组成的化合物，这些化合物表现出半导体特性。
这项发现标志着半导体材料的诞生。
二十世纪四五十年代，半导体材料的研究迈入了一个新的阶段。
1947年，贝尔实验室的威廉·肖克利和沃尔特·布拉滕等科学家首先制造出晶体管。
晶体管的发明开创了继电器和真空管时代的新纪元。
晶体管具有小型化、耐用性和低功耗等优点，很快取代了传统的继电器和真空管技术，为电子器件的发展带来了革命。
这一发明被誉为“电子革命的基石”。
从1950年代到1980年代，半导体材料的发展经历了空前的进展。
主要的突破之一是杰克·基尔比和罗伯特·诺伊斯等科学家在1954年发明了第一个硅太阳能电池。
硅太阳能电池利用光的能量产生电流，并且是第一个实用化的可再生能源技术之一、此外，半导体材料的纯化和制备技术也得到了极大的改进，如单晶生长技术和分子束外延等。
这些突破使得半导体材料的性能不断提高，为电子器件的制造提供了更好的条件。
随着半导体材料的不断发展，它在各个领域的应用也日益广泛。
最显著的应用之一是集成电路（Integrated Circuit, IC）。
集成电路是将无数个电子元件，如晶体管和电容器，集成在一个半导体芯片上。
这种技术使得电子器件变得更小巧，更高效，并且可以容纳更多的功能。
随着集成电路的不断演进，智能手机、电脑和其他现代电子设备的性能得到了极大的提升。
新型半导体材料的研究进展及其应用
新型半导体材料的研究进展及其应用随着科学技术的不断发展，新型半导体材料的研究和应用也越来越受到关注。
半导体材料是电子技术和计算机技术的基础，具有广泛的应用前景。
本文将就新型半导体材料的研究进展及其应用进行探讨。
一、新型半导体材料的研究进展1、碳化硅材料碳化硅是一种优异的半导体材料，它的电学性质和热学性质都比硅好。
碳化硅材料既能够承受高温、高压环境，也能够实现高功率、高速、高频应用。
目前已有一些碳化硅材料被广泛应用在电源变换器、汽车电源、航空器电子设备等领域。
2、氮化硅材料氮化硅是一种新型的宽能隙半导体材料，具有优越的物理和化学性质。
它的电子迁移率高，能够实现高功率、高速、高频率应用，特别适用于射频电子设备的制造。
目前，氮化硅材料被广泛应用于5G通讯、高亮度LED、蓝色激光器等领域。
3、氧化锌材料氧化锌是一种新型的半导体材料，具有良好的光学、电学、磁学等性质。
它的能隙较宽，透明性好，可应用于薄膜电晶体管、太阳能电池等领域。
此外，氧化锌具有优异的生物相容性，可应用于生物医学器械等领域。
二、新型半导体材料的应用1、汽车电子随着汽车产业的不断发展，汽车电子产品也得到了极大的推广和应用。
新型半导体材料的应用为汽车电子开发提供了新的解决方案。
现在的汽车电子产品采用了许多半导体材料，如碳化硅材料的应用可以提高电源变换器的效率，氮化硅材料的应用可以提高电力转换效率，氧化锌材料的应用可以提高太阳能电池的效率。
2、LED照明LED照明是一种新型的环保、节能的照明技术，其应用范围越来越广泛。
新型半导体材料的应用可以提高LED照明产品的效率和品质。
如氮化硅材料的应用可以提高LED芯片的发光效率和亮度，碳化硅材料的应用可以提高LED器件的寿命和稳定性。
3、5G通讯5G通讯是一项颠覆性的技术革新，它将会给互联网、智能制造、智慧城市等领域带来巨大的变化。
新型半导体材料的应用对5G通讯的发展也有着重要的促进作用。
如氮化硅材料的应用可以提高5G收发信机的效率和速度，碳化硅材料的应用可以提高5G 通讯的频率和功率。
半导体材料的应用及发展趋势
半导体材料的应用及发展趋势1.电子器件：半导体材料在电子器件方面的应用是最为广泛的。
半导体材料可以用来制造各种各样的电子器件，如晶体管、二极管、场效应晶体管、集成电路等。
这些电子器件小巧、高效、可靠，广泛应用于电子通信、计算机、消费电子等领域。
2.太阳能电池：半导体材料对光的敏感性使其成为太阳能电池的主要材料之一、将半导体材料暴露在阳光下，光子会激发材料内的电子束。
通过适当的结构设计，可以将这些光激发的电子转换为电流，用于发电。
太阳能电池在可再生能源领域具有重要的应用前景。
3.光电子器件：半导体材料在光电子器件方面的应用也日益重要。
例如，半导体激光器利用半导体材料的能带结构和光学共振效应产生激光；光电二极管利用半导体材料的光电效应将光信号转换为电信号；光通信使用半导体材料制造光导纤维和激光器等，实现远距离高速通信。
4.照明：半导体材料在照明领域的应用逐渐兴起。
常见的LED发光二极管利用半导体材料的电致发光特性，将电能直接转化为光能，实现高效节能的照明效果。
与传统的白炽灯和荧光灯相比，LED照明具有更长的寿命和更高的能量转换效率。
5.传感器：半导体材料也广泛应用于传感器领域。
通过利用半导体材料对光、温度、压力等物理量的敏感性，可以制造出光电传感器、温度传感器、应力传感器等。
这些传感器在医疗、汽车、工业控制等领域中具有重要的应用。
随着科学技术的不断进步，半导体材料的应用领域还会不断扩展和创新。
未来的发展趋势主要包括以下几个方面：1.增强能源转换效率：在太阳能电池领域，继续改进半导体材料的光电转换效率，提高太阳能电池的能量利用率，以满足可再生能源的需求。
2.迈向纳米尺度：随着纳米技术的发展，将半导体材料在纳米尺度上进行设计和控制，有望实现更高的性能和更小的器件尺寸。
3.多功能集成：将多种半导体材料集成在一起，形成具有多个功能的复合材料，以满足不同应用场景的需求。
4.高效能耗比：继续研究和创新半导体材料，在保持高性能的同时，降低能耗，提高能效。
半导体材料及其在电子器件中的应用
半导体材料及其在电子器件中的应用随着科技的不断发展，电子器件已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
这些电子器件承载着人们的生活和工作，带来了瞬息万变的数字化世界。
而半导体材料则是这些电子器件中的核心材料。
半导体材料具有众多优良的物理、化学和电学性质，其应用领域广泛，不仅包括电子学、光电学、微电子学、信息技术等领域，也涉及到环保、绿色能源、新材料等方面。
本文将介绍半导体材料及其在电子器件中的应用。
一、半导体材料的种类半导体材料按照不同的研究对象和制备方法可以分为元素半导体、化合物半导体、有机半导体等类型。
元素半导体：元素半导体是由仅含有一个元素的半导体材料。
其中，硅（Si）是应用最广泛的元素半导体，还有锗（Ge）、金属铟（In）、碲（Te）等。
元素半导体的优点是价格相对较低，制备更加容易。
化合物半导体：化合物半导体是由至少两个不同种元素组成的半导体材料。
其中，III-V族化合物半导体和II-VI族化合物半导体最为常见。
III-V族化合物半导体包括氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）等；II-VI族化合物半导体包括氧化锌（ZnO）等。
化合物半导体的优点是在氧化物、硅等较差的条件下，具有很好的电学性能和光学特性。
有机半导体：有机半导体特指以有机分子为主要成分的半导体材料。
有机半导体的制备工艺相对简单，具有很高的柔性、透明度和低成本等优点。
但是，其电学性能相对较差，应用范围较窄。
二、半导体材料在电子器件中的应用半导体材料是电子器件中最重要的组成部分之一。
其应用范围涉及到光电子器件、微电子器件、传感器、能源、环保等领域。
下面将分别介绍一些典型的应用。
1. 半导体二极管半导体二极管是一种最简单的电子器件。
它由P型半导体和N型半导体构成，具有单向导电性。
半导体二极管广泛应用于电源、电视机、收音机等电器中。
由于其各项性能优异，在高频电子领域、光电子领域以及光伏发电领域都得到了广泛应用。
2. 电子器件中的微处理器微处理器是一种内置计算机内存和逻辑控制电路的电子器件，被广泛地应用于计算机、手机、家电等产品中。
半导体材料的应用及发展趋势
半导体材料的应用及发展趋势首先，半导体材料在电子器件领域有着广泛应用。
半导体材料能够用于制造各种微电子器件，如晶体管、二极管、场效应晶体管等。
这些器件可以用于放大、开关、整流等电子功能，广泛应用于计算机、手机、电视等电子产品中。
此外，半导体材料还用于制造集成电路，使电子器件的体积更小、性能更强大。
其次，半导体材料在光电子器件领域也有重要应用。
半导体材料能够转换电能和光能之间相互转化。
例如，光电二极管可以将光信号转化为电信号，用于接收光信号的传输与检测；而激光二极管则可以将电信号转化为光信号，用于激光器的制造。
此外，半导体材料还可以制造太阳能电池，将太阳能转化为电能，用于太阳能发电。
另外，半导体材料在传感器领域也有广泛应用。
半导体材料的电学性质可以随温度、光照、压力等环境参数的变化而发生变化，从而实现对环境参数的测量。
例如，温度传感器可以利用半导体材料的温度敏感性制成，用于测量温度变化；光传感器可以利用半导体材料的光电转换特性制成，用于检测光强变化。
这些传感器广泛应用于工业控制、环境监测、医疗器械等领域。
在能源领域，半导体材料也有着重要的应用。
半导体材料能够进行光电转换，将光能转化为电能。
因此，半导体材料被广泛应用于太阳能电池的制造。
太阳能电池能够直接将太阳光转化为电能，实现清洁的能源转换。
此外，半导体材料还可以用于制造热电材料，将热能转化为电能，实现废热的利用。
未来，半导体材料的应用及发展趋势主要体现在以下几个方面：首先，随着电子技术的发展，对于更高性能的半导体材料的需求也在不断增加。
新材料的研发将成为半导体材料的一个重要方向。
例如，二维材料、有机透明导电材料等新材料的研发将进一步推动半导体材料的应用领域。
其次，半导体材料还将进一步向微纳电子器件、柔性电子器件等方向发展。
随着电子器件越来越小型化和柔性化，对半导体材料的要求也越来越高。
例如，对于柔性电子器件来说，半导体材料需要具备高柔韧性和可形变性。
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半导体特性及应用
3. 光电导特性
光电导现象：半导体导电能力随光照而发生变化。例如： 半导体硒，它的电阻值有随光强的增加而急剧减小的现 象。 光敏电阻(photosensitive resistance)。用途：光控开关， 自动控制。
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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
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半导体材料
2. 什么是半导体
根据物体导电能力的不同，来划分导 体、绝缘体和半导体。
• 导 体：ρ<10－4Ω·cm； • 绝缘体：ρ>109Ω·cm； • 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。
PN结的电流方程为
i I S (e
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1)
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•
GaAs半导体激光器发明使人 类进入光纤通信和高速、宽 带信息网的时代。
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半导体的发展趋势
• 汽车防撞雷达 系统
第二代半导体砷化镓还不会取代硅成为主流的半导 体材料。其原因：(1)大多数的电子产品还不需要砷 化镓电路那么快的速度；(2)砷化镓生产工艺时间更 长和产量也更低。
(2) 有机半导体材料: 有机物、聚合物、给体-受体 络合物。
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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
半导体材料
4. 本征半导体
本征半导体：纯净的单晶半导体。
以单晶硅为例：
单晶硅受热 激发
半导体中载流子：自由电子和空穴。一定温度下， 自由 电子和空穴的浓度达到一定，形成动态平衡。
半导体材料
(2) 半导体中空穴导电
+ + + + + + +
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在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流。
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半导体材料
5. 杂质半导体
杂质半导体：掺入杂质的本征半导体。
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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
半导体的发展趋势
2. 半导体的发展方向
半导体材料体系： 硅基材料作为微电子器件的基础在21世纪中叶之 前不会改变； 化合物半导体在光电子器件，光电集成等领域作 用会越来越大。
半导体特性及应用
2. 温度特性
温度特性：半导体的导电能力随温度升高而迅速增加， 不同于金属的正的电阻温度系数。 热敏电阻(thermosensitive resistance) 。用途：电子线路
元件的温度补偿或专用检测元件。
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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
(1) N型半导体
多数载流子
N型半导体中，自由电子是多 数载流子，空穴是少数载流子。 N型半导体主要靠自由电子导电， 掺入杂质越多，自由电子浓度越 高，导电性越强。
磷（P）
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半导体材料
培训测试部 胡晨
2016年1月13日
目录
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
半导体材料
半导体特性及应用 半导体的发展趋势
专注 激情 严谨 勤勉
半导体材料
1. 半导体材料－现代信息社会的基础
人们的生活离不开半导 体材料。
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频率较低，只能做到10GHz，但预计到21世纪中叶之前都不会 被淘汰。
硅质圆晶
集成芯片
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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
半导体的发展趋势
第二代半导体：化合物半导体，代表是砷化镓（GaAs ）、 磷化铟（InP）和氮化镓(GaN)等。 电子迁移率较硅半导体快许多，适用于高频传输，在无 线电通讯如手机、无线区域网络、卫星通讯等皆有应用；具 有直接带隙，适用发光领域，如发光二极管 (LED)、激光二 极管(LD)、太阳能电池等产品。
半导体材料
半导体特性及应用 半导体的发展趋势
专注 激情 严谨 勤勉
半导体特性及应用
1. 掺杂特性
掺入微量的杂质（简称掺杂）能显著地改变半导体的导 电能力。杂质含量改变能引起载流子浓度变化，实现半 导体导电性能的可控性。
制成P型或N型半导体
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内建电场E
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡， 就形成了PN结（空间电荷区、耗尽层）。
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半导体材料
(2) PN结的单向导电特性
正向特性 反向特性 反向击穿
半导体材料
(2) P型半导体
多数载流子
P型半导体中，空穴是多数载流 子，自由电子是少数载流子。 杂质半导体主要靠多数载流子 导电。掺入杂质越多，多子浓 度越高，导电性越强，实现导 电性可控。
硼（B）
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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
三者的能带结
构不同：
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半导体材料
3. 半导体材料的分类
半导体按化学成分：
(1) 无机半导体材料: • 元素半导体：Si、Ge、Se等；
• 化合物半导体：GaAs、InSb、 SiC、InGaAs等；
半导体特性及应用
4. 光生伏特效应
光生伏特：光照在PN结上，产生电子-空穴对，在内建电 场作用下，产生光生电势。可用于太阳能电池的制造。
•
p
•
+ _
° n°
光
太阳能电池及原理
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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
目录
Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
半导体材料
半导体特性及应用 半导体的发展趋势
专注 激情 严谨 勤勉
半导体的发展趋势
1. 半导体的发展历程
第一代半导体：元素半导体，代表是硅基和锗基半导体； 硅和硅基材料是当代微电子技术的基础，其半导体器件的
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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
半导体材料
半导体材料生产总值很大，应用领 域非常广泛。
半导体材料的发展使国民经济和及 科技等领域出现了巨大的进步，改 变了我们的生活。
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半导体#43; + + + + +
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在外电场作用下，电子的定向移动形成电流。
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半导体材料结构： 三维材料--薄膜--量子 线、量子点。
基于量子力学原理的新一代半导体微电子器件，将 彻底改变人类经济生活方式。
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Leading Physical Property Analysis of Thin-Film Materials
扩散运动
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半导体材料
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。
漂移运动
内电场使空穴从N区向 P区、自由电子从P区 向N 区运动。 因电场作用所产生的运 动称为漂移运动。