除了硅之外，找尋新的半導體

材料牛注：由于硅的光電轉換效率低，研究者們將第 III族和第 V族的元素結合起來，改善了單純硅的不足，將成為電網系統的主干，引領紅外檢測在醫學、軍事和其他日常生活方面的應用方向。

現代社會離不開半導體，電腦手機數碼相機等等，半導體正日益成為飛速發展的電子設備的關鍵部件。環顧四周，房間里高效ＬＥＤ燈、汽車、冰箱、烤爐和煮咖啡機等，處處可見半導體電路。

盡管大多數人都聽說過硅和硅谷，但他們并未意識到硅僅僅是這一類材料之一。

硅，作為半導體材料的主力，使用在計算機和電子設備方面，也存在一定的技術局限性，尤其是當工程師試圖使用電子設備發光的時候。研究者們正在尋找新的半導體材料，那么這些新材料來自哪里呢？

什么是半導體？

顧名思義，半導體是一類只在特定溫度下導電的材料，其不同于大多數金屬，在任何溫度下都具有導電性，也不同于絕緣體如玻璃、塑料和石頭，通常不能導電。

然而，這并不是它們最重要的特性。當操作適當時，這些材料可以改變電子的流動，包括限制其流動方向和放大信號。

這些性能的結合是構成現代電子設備的二極管和三極管的基礎。這些電路元件起到了很大的作用，包括充電時轉換電流和處理0和1形式的信息。

光也能被半導體吸收，然后轉化成電流和電壓。反過來，電也能發光。利用這種特性，研究人員制備了激光、ＬＥＤ燈、數碼相機和許多其他設備。

硅的興起

半導體的最初發現可追溯到十九世紀三十年代。截止到十九世紀八十年代，Alexander Graham Bell使用硒做實驗通過一束光來發聲。硒也用于第一代的太陽能電池。

關鍵的限制是無法提純使用的元素。微小的雜質（小達萬億分之一）也能影響到半導體的性能。隨著提純技術的發展，更好的半導體也應運而生。

1948年，第一個半導體三極管由鍺組成，但是硅很快就成為了半導體材料主力。硅具有機械強度，相對容易提純等優點。地殼中硅的成份有28.2％，這使得其價格便宜。這些幾乎完美的半導體制備的二極管和三極管性能優良，仍是電腦芯片的基礎。只是存在一個問題：硅在將光轉化為電信號或將電轉化為光的時候效率很低。

半導體最初用在與金屬線連接的電腦處理器中時，這個問題并未凸顯出來。然而，當我們將半導體應用到太陽能面板，鏡頭傳感器和其它與光相關的設備時，硅的這種缺陷阻礙了它的應用發展。

尋找新的半導體

研究者們從元素周期表右半部分開始尋找新的半導體。

在第IV族，每種元素通過與四周原子共享四個電子形成化學鍵。其中鍵合最強的是碳，可形成金剛石。金剛石是很好的絕緣體。在該族的底部，錫和鉛更具有金屬性。硅和鍺介于之間，是半導體。

為了找尋更合適的半導體材料，研究者們將第 III族和第 V族的元素結合起來，如GaAs，然后將結合后的材料用于制備激光、LED燈、光電探測器和其它設備，從而改善了硅的光電轉換效率低的不足。

但是由于成本和第III-V族材料易碎等緣故，硅仍廣泛地應用在太陽能面板中。除了第III-V族材料外，第II-VI族材料也可用用作半導體器件中。

半導體的未來

新的半導體材料將會得到如何應用？

高能的III-V族半導體電子設備將成為電網系統的主干，高效的進行光電轉換。新的III-V族材料將引領紅外檢測在醫學、軍事和其他日常生活方面的應用方向。研究者們將探索來源豐富的化合物來制備高效價廉的新型半導體。

而對于硅來說，研究人員并未因它的缺點而將其舍棄，他們創造了“硅光子”來更好地控制光。在硅或鍺中摻入微量的第IV族元素錫，可以改變了半導體的性能，從而使其更有效地吸收和發射光。

原文參考地址：Beyond Silicon—The Search for New Semiconductors

感謝材料人編輯部劉萍提供素材