材料与人类文明

核心选修课

材料与人类文明论文

——半导体材料，世界因你而改变

姓名：刘肖飞

班级：计算机01

学号：10055015

摘要

半导体材料的优良性能使之在各个领域大显身手。我们也因此进入了信息时代。本文主要对半导体材料对军事、航空航天、计算机、通信等领域的影响进行论述，并结合生活中例子来进一步说明半导体材料对世界的改变。

关键字：半导体材料，军事，航空航天，计算机，通信

正文：上半世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的研制成功，以及集成电路的迅速发展，促使人类对信息的处理能力大幅提升，从而进入了信息时代。而计算机作为20世纪最伟大的发明之一，也标志着人类的计算能力进入了前所未有的高度，在此基础上，各种集成芯片和半导体材料的发展再结合计算机系统的应用，促使人类在航天、医疗、军事等领域取得了质的飞跃，人类文明也因此进入了一个崭新的时代。

1 什么是半导体材料

半导体材料是导电性能介于导体与绝缘体之间的一种物质；它是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）Ω/cm。

半导体材料可按化学组成来分，按照这样分类方法可将半导体材料分为化合物半导体、有机半导体、固溶体半导体、元素半导体。化合物半导体分为二元化合物半导体和多元化合物半导体；有机半导体分为有机分子晶体、有机分子络合物、和高分子聚合物，一般指具有半导体性质的碳-碳双键有机化合物，电导率为10-10~102Ω·cm；固溶体半导体是由两个或多个晶格结构类似的元素化合物相融合而成，有二元系和三元系之分，如ⅣA-ⅣA组成的Ge-Si固溶体，ⅤA-ⅤA组成的Bi-Sb固溶体。原子排列短程有序、长程无序的半导体成为非晶态半导体，主要有非晶硅、非晶锗等；元素半导体大约有十几种，在元素周期表的ⅢA族—ⅦA族的金属与非金属元素交界处，如Ge，Si，Se，Te等。①

2 半导体材料的广泛应用

半导体材料以硅为主，但是往往会在纯净的硅晶体中掺杂Ge、Se、Te等少量元素来形成各种不同性能的材料。由于半导体材料的优良性能，它们在生活中应用相当广泛，人们的家用电器80%以上都离不开硅材料。从电视机到手机，再到家用电脑，一块小小的集成芯片就为我们提供了极大的便利。半导体在未我们的生活提供便利的同时，它同样活跃在高新技术领域，比如航空航天用到的太阳能电池板、宇航服、计算机系统等等；医学中用到的核磁共振成像。不仅如此，半导体在军事领域也有着战略性的地位。因此在下文中着重讨论半导体在军事、航空航天、计算机、通信等领域的影响，而这些恰恰是我们触手可

及的，切身感受得到的，我们会发现，不起眼的半导体有着开启世界之门的正能量。正是这一块小小的半导体却在深刻地影响和改变着世界，世界因“小”而改变。

2.1 半导体之于军事

2003年的伊拉克战争，当美国用信息技术摧毁了萨达姆的指挥系统之后，以迅雷不及掩耳之势攻占了伊拉克，而伊军此时还是用钢甲铁板的坦克去对付来犯之敌，而他们却发现，炮弹对美军无丝毫作用，是因为美军躲在了“比特”的后面，这场战争也因此成为了现在信息战的鼻祖，这也是一场硅对钢的胜利。众所周知，美国的信息技术发展很快，这得益于他们半导体材料制作工艺的成熟，在当时已经可以制作超大规模的集成芯片，而我国当时还得进口他们的芯片才能使我们自己的计算机运行1+1这样简单的程序。尤其是再结合纳米技术，人类已经到了能够操作分子、原子、中子的地步，此时各种新型的、大规模杀伤性武器屡见不鲜，正因为这些武器和技术的出现改变了世界战争的格局。现在战争讲究信息战，开张之前实施电子对抗，真正达到“不战而屈人之兵”。因此一个国家的半导体制作技艺和研究水平在某种程度上决定了它的国防力量。我们不能再以小米加步枪为荣了，必须大力发展半导体材料武器装备，才能在未来的战争中立于不败之地。

尤其是激光技术在现代战争中的广为利用，各种新型光学武器层出不穷，而它们都是以半导体材料为基础，结合现代高科技制备而成，有智能化、远程化、小型化、复合化等优点，在现代国防军事领域有着无可替代的作用。综上所述，我们可以看出半导体材料已经成了一个国家军事力量的物质基础，如若再忽视它，那后果无异于自毁长城。

2.2 半导体之于航空航天

从人类第一颗人造卫星升天，到有了第一艘载人飞船，再到国际空间站的建立，人类对外天空的探索取得了骄人的战绩，我们不再对太空感到神秘，我们开始在天空中寻找我们的起源于出路。然而这其中半导体材料可谓功不可没，没有它，我们不可能这么跳出地球引力，去翱翔更大的“天空”。半导体材料在航天航空中的应用我们可能一开始就想到卫星已进入太空就打开的太阳能电池板，利用硅晶制作的太阳能电池板在为卫星源源不断地输送着电能，从而保证一切系统的正常工作。除了这一点，其实半导体材料还在航天航空中的其他地方大显身手：只要是有自动控制系统的地方，都离不开芯片，而芯片正是半导体材料制作而成的；还有某些高性能材料（耐高温、高压、高辐射）也需要掺入半导体材料才能发挥最佳性能。

2.3 半导体之于计算机

毫无疑问，半导体材料是构成计算机的物质基础，没有它，计算机就没有硬

件，没有硬件，计算机软件就无生存之地，没有了软件，计算机也就失去了“灵魂”。从1946年庞大的ENIAC（当时它还是用的电子管）到现今各式各样的微型机、巨型机、PC、单片机等，人类利用计算机这个超级工具已使自己的计算机能力提升了几十万倍，给生活带来了极大的便利。特别是摩尔定律指出，芯片集成度每18个翻一番。这些技术的发展都是以半导体材料的发展为前提和基础的。如果没有半导体材料，就不可能有PN结；没有PN结就不会有二极管、三极管、晶体管；没有这些管子，现代高集成度的芯片也就不会出现；而失去了这些芯片，计算机也就没有了骨架，将会灰飞烟灭。

我相信我们现代的每一个人都能切身感受到计算机给我们生活带来的极大便利，从家庭办公、影视娱乐，再带科研计算、自动控制，都离开计算机，如果半导体材料不发展，那么计算机还会更新这么快吗？那么我们的生活是不是又要回到那个手算的年代？因为我学的是计算机专业，所以我对这一点的体会非常深刻，就连我们平时的家用电器里面都有一个嵌入式芯片以实现智能化、人性化。因此，半导体材料不像它的名字一样，虽然导电性能不如金属材料，但是它的作用远非金属所能比拟的。

2.4 半导体之于通信

十几年前，我们手里有个传呼机（不过它的个头挺大的，功能也简单）就感觉非常地了不起了；但是经过这些年的发展，我们手里的通信设备也从最简单的传呼到现在的支持视频、联网、无线传输等功能，且手机的功能越来越强大，价钱却越来越便宜，这不仅是通信技术进步的表现，更要要得益于半导体材料的发展。没有半导体的发展，我们可能还停留于纸质书信的通信方式。

3 半导体继续改变着世界

我们生活中的IC卡、银行卡、信用卡等各种磁卡；我们经常使用的Flash闪存、移动硬盘、光碟等信息存储设备；我们家里的收音机，电视机、DVD等家电设备„„这些常用的设备极大的方便和丰富了我们的生活，而这些都是用半导体材料制作的，可以说没有半导体，我们眼中的世界将会是另一个样子。

半导体材料的发展是相当迅速的，这也是我们这个高速发展的信息社会的需要，面对信息的爆炸，计算机和电子技术面临着一个极限，人们又想到用量子计算机来解决，而量子计算机核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成。如果这个实验成功，那么我们的社会又将前进一大步。

参考：①http://baike.baidu.com/view/50720.htm#3 百度百科