CN102174706A - 半导序体 - Google Patents

Abstract

本发明任务是开发各种簇体技术及其器件，如：单序体生长的基本技术、半导序体外延生成技术、半导序体分子束外延技术、序体二极管、双极序体管、场效应序体管、序体振荡器和变频器等。利用半导序体替代现有的半导体，可以制作高性能、小型化、集成化的半导序体器件。其中光电子信息半导序体是整个光电子技术的基础和先导。它包括光源和信息获取材料、信息传输材料、信息存储材料、信息处理等材料。半导序体管的属性由其单序体的序格结构决定。序体某方向的纳格与运动电子的漂长相当或更小，则构点周期性的边界条件不被改变，必然导致它的光电转换和其他的各种性能发生根本性变化。这种体积效应；是序体与矿体的本质区别。各种序体结构多样性和组成的千变万化，决定了它们的各种各样的具体特性。

Description

半导序体

技术领域    本发明涉及簇体技术(Cluster technology)、半导体技术(Semiconductor technology)、电学技术(Electronic technology)、光学技术(Light technology)等。半导序体属于半导簇体的范畴。

半导簇体(Semiconductor Cluster)依据于《漂动学》和《簇体学》理论。半导序体技术将在物理、化学、生物、能源、材料、信息、网络、机电、微电子、工业、农业、军事等各个领域得到广泛应用。

背景技术    麦克斯韦(Maxwell)认为：“电磁波具有能量和动量，并向无限空间传播”；其电磁波发射和吸收的理论解释与事实不符；其“位移电流、感生电动势”假设并没有经过实验直接检验。该假说是错的。

量子力学是半导体技术、纳米材料(nanomaterial)技术的基础理论。但是量子力学基本原理、爱因斯坦(Einstein)光子理论、德布罗意(de Broglie)公式、薛定格波动方程、狄拉克(Dirac)相对论波动方程、各种物理量的算符表达式等，都是假设。物理量相应的算符却没有定义和正确构造方法。爱因斯坦“光发射、吸收、运动都是粒子”和德布罗意“每个粒子都是一种波动，都象光波一样”是错的。

波尔(Bohr)“电子在一些实验是波，另一些实验是粒子；电子既是波又是粒子”的互补性原理是错的。

海森伯(W.HeisenBerg)“测不准原理”，用波包描述粒子的位置而认为测不准；否认粒子运动规律性。

量子力学认为波函数只是在哪段过程中由

波动方程来确定；至于何时发生波包的縮编，以及縮编到什么本征态，都取决于实验者安排和选择。这种唯心论造成区分主观与客观的困难性和任意性。

波恩(M.Born)假设“波函数振幅平方与粒子出现概率成正比；物质波是无物理意义概率波”是错的。

量子力学只是依靠许许多多假设来描述。它始终被概念的、逻辑的、图像的、哲学的问题所纠缠不清。对普朗克(Planck)“能量子”的解释，至今还困扰物理学家。费曼(Feynman)说：“没有谁理解量子力学”。

纳米材料的定义：在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内，或由纳米基本单元构成的材料。

纳米材料既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序的非晶体。它是一种介于固体和分子之间的第三态物质；是晶体、非晶体之外的“第三态固体材料”。

扫描隧道显微镜(Scanning tunneling microscope，STM)是用来检测微观形貌的。它具有极高空间分辨能力，平行方向的分辨率为0.04纳米，垂直方向的分辨率为0.01纳米。STM原理是量子隧道效应。其主要构成有：顶部直径约为50-100纳米的极细探针(通常是金属钨制的针尖)、用于三维扫描的三个互相垂直的压电陶瓷(P_X、P_Y、P_Z)、以及用于扫描和电流反馈的控制器(Controller)等(图1)。

STM有两种工作模式：恒电流模式和恒高度模式；是微观世界的加工工具，人工可按需要排布原子。

STM针尖与样品间存在范德瓦耳斯力和静电力两种作用力。它可以操纵原子或分子，进行纳米加工。

STM的单原子或单分子操纵技术，不仅可以实现将样品表面的原子或分子从一处移到另一处，从而可以在样品表面上进行直接刻写、诱导沉积和刻蚀等技术；而且可以进行分子组装技术。

原子力显微镜(Atomicforce microscope，AFM)与STM原理基本一样，它主要利用电场蒸发和电子束激励等物理过程对样品表面的原子进行操纵。由于AFM不受材料种类的选择和具有原子分辨能力，使它在尺寸小于100纳米的结构加工中占有明显优越性。它能够直接观察非导电样品和软质材料试件的表面微观形貌，达到原子级分辨率，并能在液体中进行检测。

半导体是量子力学和固体物理学等综合成果。半导体的导电能力会随着电场、磁场的作用而发生改变，分别称为电场效应和磁场效应。半导体的特殊的电学性能来源于其内部的原子结构及其电子的运动规律。

由两种或两种以上半导体的N型和P型极薄层交替排列组成的周期阵列，称为超晶格。化合物半导体可呈现天然晶体材料中没有的许多新效应。例如半导体超晶格和量子阱。半导体还有很多其他的物理效应。

硅作为半导体材料特点：①资源丰富，提纯简单、成熟，价格便宜。②硅器件漏电流少，热稳定性好。③用热生长能得高质量的二氧化硅薄膜。④可解决表面纯化。⑤把二氧化硅薄膜夹在硅和金属之间的结构。

发明内容    本发明任务是开发离散型半导体性能的序体技术及其器件，如：单序体生长的基本技术、半导序体外延生成技术、半导序体分子束外延技术、序体二极管、双极序体管、场效应序体管等器件。

半导簇体是《漂动学》和《簇体学》新理论、簇体或序体新技术与现代半导体技术等相结合的产物。

若没有注明时，J(可为∞)≥n，它们为自然数。∑是n从1～J项的求和符号。黑体字母指矢量。

定义：任何具有质量(包括动质量)的物体和微观粒子，称为体粒。如光子、电子、正电子等微粒。

定义：某个点上的一个物理量在某一数值附近随时间而作周期性的变化，称为振荡(vibration)。

定义：某个点的物理量随着时间变化的振荡状态或者相位的速度，称为振荡速度，简称振速。

定义：能互相感应的可叠加的在体粒周围定域空间漂浮的独立的没有质量的物质形态，称为漂(float)。

漂是一种看不见、摸不着、与体粒及其物理量发生作用的不同于有质量实体(如光子)的空间状态。

定义：某点的漂在零值附近的垂直于体粒运动方向的平面上振荡，称为漂振荡。表示漂振荡的物理量，称为漂变量。它的绝对值和方向，称为漂值(矢量)。其中一个方向的漂值规定为正值，相反方向为负值。

定义：体粒周围存在漂振荡的定域空间，称为漂域。漂域的运动速度矢量，称为漂域速度，简称域速v。域速可为零。由物理边界和初始条件确定漂域中漂动形态。没有边界条件的漂域与自由体粒相伴随着运动。

定义：漂域中任一点的最大漂值，称为该点漂振值(矢量)。某点漂振值的绝对值，称为该点漂振幅。

定义：某点的漂变量完成一次周期性振荡所需要的时间，称为漂振荡的周期T。

定义：某个点的漂变量在单位时间完成周期性振荡的次数，称为漂振荡的频率v；且v＝1/T。

定义：漂振荡的频率v的2π倍，称为漂振荡的角频率(angular Frequency)ω＝2πv＝2π/T。

定义：漂振荡在开始(时间t＝0)时漂变量x与漂振幅A之比的反余弦arccos(x/A)，称为初相Φ。

定义：初相Φ与漂振荡角频率ω乘以时间t的积ωt之和(Φ+ωt)，称漂振荡相位(相)，简称相位。

定义：某点漂振荡按照相同的相位和漂振幅的余弦和/或正弦变化，称为该点漂简谐振荡，简称漂简谐。

设某点的漂值为x，漂简谐随时间t的振荡方程可为x＝Asin(Φ+ωt)和/或χ＝Acos(Φ+ωt)

上式漂振幅A与初相Φ均为常数。，(Φ+ωt)为相位。假设两个相同角频率的漂简谐分别为：

x₁＝A₁cos(Φ₁+ωt)；x₂＝A₂cos(Φ₂+ωt)；相位差ΔΦ＝(Φ₂+ωt)-(Φ₁+ωt)＝Φ2_-Φ₁

某点漂振荡可使其相邻点的漂，因互相感应而离开平衡位置进行相同相位和相同漂振幅的漂振荡。

定义：在漂域内由于相邻点上的漂的互相感应而形成的各点漂振荡的集合，称为漂动(float)。

定义：某时刻漂域中漂振荡的相位完全相同的各点所连成的曲面，称为漂面。漂域中有任意多个漂面。

定义：运动漂域相对于静止参照系的最前面的一个漂面，称为漂前或漂阵面。

定义：在漂域中各点的切线方向表示漂动的传播方向并且与各点的漂振荡均垂直的线段，称为漂线。

定义：具有分开的独立两个端点的漂线，称为开放漂线。没有分开端点的闭合的漂线，称为封闭漂线。漂线可以是直线段或曲线段；可以是封闭的或开放的。它是线段各点漂振荡的集合，不是体粒运动的轨迹。

定义：漂线上漂振值始终是零的点；称为漂节。漂线上相邻两个漂节之间的线段，称为漂段。

定义：漂域运动方向与其漂变量的振荡方向互相垂直的漂动，称为横漂。漂动是横漂，具有偏振效应。

定义：漂线上某个漂段的每点漂振值(矢量)中最大绝对值，称为该漂段的漂腹。各段漂腹一般相等。

定义：漂线上相邻的相位差为2π的两点之间的距离为λ并且其方向与漂线相同的矢量，称为漂长λ。

定义：漂线上的单位长度含有漂长的数目N并且方向与漂线相同的矢量，称为漂数N。|N|＝1/|λ|。

定义：漂动的漂数N的2π倍，称为角漂数矢量k。k＝2πN＝(2π/λ)N₀(N₀为单位漂数矢量)。

定义：一个完整的漂动通过漂线上某点所用的时间，或一次周期性漂动所需要时间，称为漂动周期T。

漂动周期等于漂振荡周期，与漂动经过的物质介质没有关系。漂长λ＝漂振荡速度×漂动的周期T。

定义：漂变量在单位时间内周期性变化的次数，称为漂动频率ν。它与漂振荡频率相同。

定义：漂动的频率ν的2π倍，称为漂动的角频率，简称角频率ω。即角频率ω＝2πv＝2π/T。

定义：漂动相对于参照物为漂域的速度矢量，称为漂速u。它是漂域中振荡状态或相位的速度。u＝νλ。

定义：漂动遇到障碍物时运动方向发生改变，能够绕过障碍物的边缘继续向前运动的现象，称为漂动绕射(或漂动衍射)。其数学原理和方法，与机械波衍射类似。它可解释光子、电子等体粒的所有衍射现象。

定义：漂线上各点漂振荡的频率漂长都相同而相位差恒定的漂动，称为相干漂动。几列漂动相遇时，各点的漂振值叠加形成强弱分布不变的漂动，这一现象称为漂动干涉；数学原理和方法与机械波干涉相同。

从漂动物理意义行漂动定理：漂域中任意漂面上每个点的漂振荡，都是产生相同相位和漂振幅的漂振荡的漂动子源，其后任一时刻，它们发出的各个球面子漂动随着漂域运动到达空间中包迹，就是新的漂前；漂动从同一个漂面上某些点产生的子漂振荡，随着漂域运动(域速为v；v＝0为静止)和漂动(漂速u)到达空间另一点时，各个子漂振荡遇到障碍物会发生衍射；各个子漂振荡相遇时互相叠加会产生干涉现象。

根据漂动定理，从域速v和漂速u可以计算出漂面之前的给定点的漂振幅和相位；可以推导出漂动的反射定律：“漂动的入射角等于反射角”和折射定律：“漂动的入射角的正弦与折射角的正弦之比等于常数”。

若干列漂动相遇时，都将独立地保持自己的特性(频率、漂长、振荡方向和漂线方向等)并继续运动。漂动独立性定理：任意漂动相遇时都是交叉而过并且互不干扰。它表明每个漂动都是与其体粒紧密相关的。

若干列漂动在同一介质中运动时，都保持其原有的特性不变，相遇处的各点漂值是各列漂值的矢量和。漂动叠加性定理：任意一个漂动都可分解为一系列简谐漂动。它表明任何漂动都可用简谐漂动来合成。

定义：域速为v和漂速为u的漂动，在时间Δt内经过真空的几何路程L＝(v+u)·Δt，称为漂程。

定义：两列漂动(或子漂动)的漂程之差，称为漂程差。它与域速和漂速速相关，与漂域通过介质有关。

频率ν和漂长λ的光子漂域在真空中域速为C，则在折射率为n介质中域速v_n＝C/n、漂长λ_n＝λ/n。

若漂程相同，光子运动所用时间就一样，相位变化也相同。漂动在不同介质相遇的干涉由漂程差决定。

定义：漂相感应形成漂腹为漂振幅最大值而相位为k·r-ωt+φ的正弦和/或余弦漂动，称为简谐漂动Ξ。即Ξ(r，t)＝A{cos[(k·r-ωt+φ)]+isin[(k·r-ωt+φ)]}＝Ξ₀[cos(k·r-ωt)+isin(k·r-ωt)]①

其中ω为简谐漂动角频率，k为角漂数；漂腹A(正数)和漂动初相φ为常量；漂腹Ξ₀为|Ae^iφ|。

漂动相遇的重叠区域里，每个点的漂振荡ψ₁₂(或ψ₂₁)是各个漂振荡ψ₁和ψ₂在该点的漂振值的矢量和。

ψ₁₂(r，t)＝ψ₂₁(r，t)＝ψ₁(r，t)+ψ₂(r，t)，|ψ₁₂|²＝|ψ₁+ψ₂|²＝|ψ₁|²+|ψ₂|²+ψ^* ₁·ψ₂+ψ^* ₂·ψ₁

上式后面两项可解释光子、电子、分子等体粒的多缝干涉实验以及两个重叠漂动发生的一切干涉现象。

多缝干涉定理：每个体粒的漂动穿过多个狭缝产生干涉；每个体粒在漂动作用下只能穿过其中一个缝。

推论1：每个体粒伴随的漂动可产生衍射或干涉等现象；各个体粒只出现于衍射或干涉图案中一个位置。

漂动的漂段上漂振幅达到最大值时，引起相邻点的漂感应最大，漂振荡速度为零。当经过1/4周期后，漂段各点的漂同时到达平衡位置，相邻漂感应为零，漂振荡速度最大。继续振荡，各点漂振值为负最大值，相邻漂感应最大，漂振荡速度为零。故漂振荡状态始终在漂段上来回移动。在漂节位置漂振值始终为零。

漂动的状态和相位，不能通过漂节向相邻的漂段或外界传送。漂没有质量，故漂动没有能量和动量。

漂域外各点漂振值始终为零；根据漂振值连续性；漂域边界上漂振值也始终为零。故漂域边界是漂节。

推论2：漂动没有能量和动量；其振幅和相位不能向相邻漂段或外界传送；漂域所有边界点都是漂节。

漂线上角频率是“离散型”的；其中角频率最低的漂动状态，称为基态。其余漂动状态，称为激发态。

光子周围的漂动，称为电磁漂动；不同于电场或磁场。电磁漂动是变化漂动而不是静止的电场或磁场。

推论3：若漂线有n个漂段：两端位于漂域边界的开放漂线的漂节为n+1个；封闭漂线的漂节为n个。

定义：系统指一个体粒(如电子)或一群体粒(如原子、分子和离子等)及其边界条件、初始条件等。

定义：物理状态指漂动之间的互相作用、势场分布和系统状态等；也称为状态函数(state Function)。

系统中漂域和漂动的具体形态，取决于其中各个体粒的质量、动量、能量、边界、初始条件等物理状态。

体粒(如光子)有质量、能量和动量；漂动(如电磁漂动)有漂腹、角频率和角漂数。它们缺一不可。

推论4：每一种漂域和漂动的形态对应一个系统的所有物理性质；即漂域和漂动包含该状态的全部信息。

定义：漂动中(k·r-ωt+φ)称为漂动相位；与时空点相关的(k·r-ωt)称为时空相；φ称为初相。定义：物理量W(r，t)只能具有分立的量值

称为物理量的分立量度简称量度。

定义：时空(r，t)处的单位时间单位体积内量度

出现的概率，称为量度概率密度ρ(r，t)。

定义：若干个互相垂直和/或平行的分立漂振幅为A_j和相位(Φ-ωt)相同的漂简谐，在与同一条漂线构成的各平面上合成为漂腹之和∑A_n、漂动相位(k·r-ωt+φ)的分立简谐漂动矢量和，称为正交漂动Ξ(r，t)。

从①式，同一条漂线上J列互相垂直和/或平行的简谐漂动的合成：Ξ(r，t)＝∑Ξ_n(r，t)＝∑Ξ_0ncos(k·r-ωt)+i∑Ξ_0nsin(k·r-ωt)，就是正交漂动。正交漂动Ξ(r，t)中分立的漂腹之和(∑Ξ_0n)，称为合漂腹(正数)。正交漂动余弦和/或正弦，与

的实部和/或虚部一一对应。漂动可用复变函数表示。与正交漂动Ξ(r，t)的余弦和/或正弦等效的复变函数z(可以只采用其中的单独实部或单独虚部)为： $z(r,t)=\mathrm{\Σ}{\mathrm{\Ξ}}_{0n}{e}^{i(k\·r-{\mathrm{\ω}}^t)}={\mathrm{\Σ\Ξ}}_{0n}\left\{\cos \right[(k\·r-\mathrm{\ωt})]+i\sin [(k\·r-\mathrm{\ωt})\left]\right\}={\mathrm{\Σ\Ξ}}_n(r,t)=\mathrm{\Ξ}(r,t)$ ②体粒位置r、时间t与速度相关，质量与物理量(时间、空间、动量、角动量、能量、粒子数等)相关。

定义：量度概率密度ρ(r，t)的平方根，称为量度概方根ξ(r，t)；其符号与相应时空点漂值相同。[±ξ(r，t)]²＝ρ(r，t)。正交漂动Ξ(r，t)和概率方根ξ(r，t)及其一阶导数都是单值、连续、有限。

以下dτ为积分元素dxdydz，dt为时间微分，积分号对dτdt积分，范围为漂域Ω时空点。||指绝对值。

定义：若漂动Ξ对漂域Ω：

则合漂腹∑Ξ_0n称为单位漂腹。

定义：正交漂动

与合漂腹∑Ξ_0n的比值，称为漂矢ψ(r，t)。

定义：第n个正交漂动

与合漂腹∑Ξ_0n的比值，称为第n分漂矢ψ_n(r，t)。令ψ₀(r，t)＝∑Ξ_0n/∑Ξ_0n＝1。它为单位矢腹。令ψ_0n(r，t)＝Ξ_0n/∑Ξ_0n，称为第n分矢腹(正数)。矢腹(正数)和漂矢都无量纲。漂矢

∫Ω|ξ|²dτdt＝∫_Ωρ(r，t)dτdt＝1；∴ψ＝ξ物质漂动第一定律：时空(r，t)处能量E和动量P的体粒，伴随漂腹为单位漂腹、时空相(k·r-ωt)与(P·r-Et)成正比的正交漂动Ξ(r，t)的漂域Ω；其中漂矢ψ(r，t)等于量度

概率方根ξ(r，t)。定律中比例系数称为漂动变量，记为B。实验测得漂动常量B＝9.48252×10³³秒/(千克·平方米)。从物质漂动第一定律可得：(k·r-ωt)＝B(P·r-Et)＝2π(N·r-νt)；还可得：ψ(r，t)＝ξ(r，t)。故漂动的角漂数或漂数与动量的关系：k＝B P＝2πN；角频率或频率与能量的关系：ω＝B E＝2πν。普朗克“能量子”假设、“光子能量E＝hν”爱因斯坦假设和德布罗意公式假设，都只是定律中的特例。从物质漂动第一定律和②式：正交漂动

漂域中漂速u＝λ/T；ν＝u·N；故|u|＝E/|P|，方向与体粒动量方向相同。最小基本体粒称为基粒。电子是伴随有漂域并具有动量k/B和静质量的基粒；光子是伴随有电磁漂域并具有能量ω/B的基粒。定义：漂动状态完全相同的同一种体粒，称为全同体粒。同一种体粒的激发态不同，就不是全同体粒。J个全同体粒的漂动为J∑Ξ_n(r，t)；其漂矢

定义：时空(r，t)处单位时间通过垂直运动方向的单位面积的全同体粒总能量，称为该处体粒漂强Q。每个全同体粒携带相同能量，漂强与体粒数量成正比。漂强与体粒数量密度(体粒数量/总数量)相同。从物质漂动第一定律和量度概率密度ρ的定义可得一个体粒在时空(r，t)处的任意一个量度的总概率。∵∑ψ_0n＝1；

归一化定理：体粒的任一物理量的量度在漂域出现的概率总和等于1(包括体粒位置出现概率总和为1)。

定义：在一个系统中运动体粒的能量不随时间而变化的状态，称为定态。其对应漂矢，称为定态漂矢。其对应漂动，称为定态漂动。定态漂动的体粒，能量因子是固定值；其所有力学量期望值都不随时间变化。

定义：时空(r，t)处单位体积内量度

的概率，称为量度

体积概率密度ρ_r(r，t)。

定义：时空(r，t)处单位时间内量度

的概率，称为量度

时间概率密度ρ_t(r，t)。

当漂动漂矢ψ(r，t)是空间函数∑φ_n(r)和时间函数∑θ_n(t)乘积：ψ(r，t)＝∑φ_n(r)∑θ_n(t)时， ${\mathrm{\Σ\ψ}}_n(r,t)={\mathrm{\Σ\φ}}_{\mathrm{na}}\left(r\right)e^{-i}{\mathrm{\ω}}^t;$

任一时刻定态中量度出现概率总和为1。

漂矢ψ(r，t)及其共轭漂矢ψ^*(r，t)都是自变量r和t的复变函数。量度

的期望值<

>(实数)：

$<\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}>={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}\mathrm{\&rho;}(r,t)\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{d\&tau;dt}={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}|{\mathrm{\&xi;}|}^2\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{d\&tau;dt}={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}{\left|\mathrm{\&psi;}(r,t)\right|}^2\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{d\&tau;dt}$

$={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}\mathrm{\&psi;}*(r,t)\mathrm{\&psi;}(r,t)\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{d\&tau;dt}={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}\mathrm{\&psi;}*(r,t)\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{\&psi;}(r,t)\mathrm{d\&tau;dt}$ ④

定义：有顺序的数学指令串从后向前依次运算于任一函数F(r，t)，等于物理量G的量度

乘以函数F(r，t)之积，则该指令串

称为G的算符(operator)。即

设函数F为漂矢ψ(r，t)，物理量W的量度为

得：

其中算符

可以是单个数学运算指令，也可以是若干个有顺序的数学运算指令。从④式和⑤式可得：

$<\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}>={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}\mathrm{\&psi;}*(r,t)\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{\&psi;}(r,t)\mathrm{d\&tau;dt}={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}\mathrm{\&psi;}*(r,t)\hat{W}\mathrm{\&psi;}(r,t)\mathrm{d\&tau;dt}$ ⑥

推论5：物理量W对应算符

物理量W的量度

的期望值

定义：算符

对任意函数f(χ)、g(χ)符合

则

称为线性算符(linear operator)。各个物理量W的量度

和算符对任意f(χ)、g(χ)符合：

$\hat{W}[f\left(\mathrm{\&chi;}\right)+g\left(\mathrm{\&chi;}\right)]=\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}[f\left(\mathrm{\&chi;}\right)+g\left(\mathrm{\&chi;}\right)]=\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}f\left(\mathrm{\&chi;}\right)+\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}g\left(\mathrm{\&chi;}\right)=\hat{W}f\left(\mathrm{\&chi;}\right)+\hat{W}g\left(\mathrm{\&chi;}\right)$

位置r的量度

及其算符

满足：

故

同理：时间t的算

任一个漂动的漂矢ψ(r，t)可由若干个简谐漂动的漂矢

合成：

(ψ_n为第n分漂矢，ψ_0n为第n分矢腹)⑦

设体粒的动量P的三个分量的算符为

动量P在位置r处的x轴分量为Px，上式为：

r＝xi+yj+zk； $\mathrm{\&psi;}(X,t)={\mathrm{\&Sigma;\&psi;}}_{0N}{e}^{-i(\mathrm{Et}-\mathrm{Px}\&CenterDot;X)}B$ ⑧

从⑧式可得： $\&PartialD;\mathrm{\&psi;}(x,t)/\&PartialD;x=\&PartialD;\mathrm{\&Sigma;}{\mathrm{\&psi;}}_{0N}{e}^{-i(\mathrm{Et}-\mathrm{Px}\&CenterDot;X)B}/\&PartialD;x=\left[\mathrm{iBPx}(x,t)\right]\mathrm{\&Sigma;}\left[{\mathrm{\&psi;}}_{0n}{e}^{-i(\mathrm{Et}-\mathrm{Px}\&CenterDot;x)B}\right]$

即 $(-i/B)\&PartialD;\mathrm{\&psi;}(x,t)/\&PartialD;x=\mathrm{Px}(x,t)\left[{\mathrm{\&Sigma;\&psi;}}_{0n}{e}^{-i(\mathrm{Et}-\mathrm{Px}\&CenterDot;x)B}\right]$ ⑨

故动量P的χ轴分量Pχ的算符

漂数的算符

同理：P的y轴分量Py的算符

P的z轴分量Pz的算符

动量算符为

从⑨式：故P²的算符

$(i{\&PartialD;}^2/{\&PartialD;x}^2+j{\&PartialD;}^2/{\&PartialD;y}^2+{k\&PartialD;}^2/\&PartialD;z)=(-1/B^2){\&dtri;}^2$

称为Laplacian算符。动能P·P/(2m)的算符：

从⑦式得能量E算符

即(i/B)

故能量E的算符

从时间、坐标和动量的算符可得漂长、漂数、角动量、哈密顿(Hermitian)函数等所有算符公式。

哈密顿函数H为P²/(2m)与势能U之和。U算符为

哈密顿算符

令A＝iA₁+jA₂+kK A₃＝{A_a}；其3个空间坐标分量用a＝1，2，3表示。同理B＝{B_a}。C＝{C_a}。它们相应算符为

设C＝A×B；则

(a＝1，2，3，当a＞3时取a-3)。

设电子e处空间点

(算符

)，电荷密度K＝qδ

电荷密度算符设电子速度为u，算符

动量P算符为电流密度电流密度算符

同理：角动量算符

角动量平方算符

推论6：物理量算符可从其定义推导出来；每个物理量W的量度皆能够对应于一个线性算符

设

(r)为物理量W_n(r)的量度函数，对应线性算符为

根据物质漂动第一定律和算符定义：

∫_Ωψ^* _n(r)ψ_n(r)dτdt＝1，量度

上式的充分和必要条件为：

定义：具有

形式方程，称为特征方程(eigen equation)。其中函数ψ_n(r)称为算符的特征函数(eigenfurction)，其对应的量变值

称为该特征方程的特征值(eigenvalue)。

推论7：对应于线性算符的量度

必定为特征方程

的特征值

若系统中在一种物理量变换下漂动Ξ(r，t)遵从规律不变(即满足相同的漂动方程)，则该物理量守恒。

定义：体粒系统在时间反演(t→-t)下漂动Ξ变化，称为时间反演T。如TΞ(r，t)＝Ξ(r，-t)。

定义：体粒系统在空间反演(r→-r)下漂动Ξ的变化，称为空间反演P。如PΞ(r，t)＝Ξ(-r，t)。

定义：体粒系统在空间和时间联合反演下漂动Ξ变化，称为时空反演PT。PTΞ(r，t)＝Ξ(-r，-t)。

定义：质量相同而电荷相反的体粒，或电荷为零而质量相反的体粒，称为反体粒。

定义：将正体粒和反体粒互相变换下漂动的变化，称为粒性反演C。C(体粒漂动Ξ1)＝(反体粒漂动Ξ2)。

∵正交漂动

PT反演等价于C反演

∴CPT变换是守恒的。

推论8：CPT变换是守恒的。即粒性反演C(质量相同，动量相反，能量相反)等价于时空反演PT。

定义：全同体粒系统中所有体粒在时间反演时漂动(物理规律)的不变性，称为漂动宙称；简称宙称。宙称表示量度概率密度不变，即|Ξ(r，t)|²＝|Ξ(r，-t)|²，得漂动Ξ(r，t)＝±Ξ(r，-t)。宙称

体粒的宙称不变，称为偶宙称，漂动是偶函数。宙称改变符号，称为奇宙称，漂动是奇函数。无其他。宙称

代表相互作用能量的哈密顿算符

在时间反演下不变：

体系宙称不变。

推论9：如果体粒系统的物理规律在时间反演下不变，则体系宙称守恒(即宙称守恒推论)。

定义：全同体粒系统中所有体粒在空间反演时漂动(物理规律)的不变性，称为漂动宇称，简称宇称。宇称表示量度概率密度不变，即|Ξ(r，t)|²＝|Ξ(-r，t)|²，得漂动Ξ(r，t)＝±Ξ(-r，t)。宇称P＝±1。

体粒的宇称不变，称为偶宇称，漂动是偶函数。宇称改变符号，称为奇宇称，漂动是奇函数。无其他。宇称P代表相互作用能量的哈密顿算符在空间反演P下不变：PΞ(-r)＝PΞ(r)；体系宇称不变。

推论10：如果体粒系统的物理规律在空间反演P下不变，则体系宇称守恒。这是所谓“宇称守恒定律”。

定义：质量m的体粒以速率v在半径r圆周上运动，动量mv和半径r的乘积，称为角动量L＝mvr。

定义：单位时间内光速C垂直通过体粒表面上漂长λ的面积，称为体粒的内禀动宇；简称动宇

定义：光速C通过体粒表面上漂长λ所需的时间，称为体粒的内禀能宙；简称能宙

定义：具有静止质量m₁的基粒，称为静子。只有纯动质量d1的基粒，称动子。它们质量统称元质量y。

定义：基粒元质量y乘以动宇称为自荷ξ＝yλC。基粒的电荷

乘以能宙

称为位荷

定义：基粒自荷ξ所引起的漂动相位，称为漂动角自旋σ；位荷ζ所引起的漂动相位，称为角位旋u。

定义：漂动的角自旋σ(或角位旋u)除以2π，称为自旋ч(或位旋μ)。σ＝2πч；u＝2πμ

物质漂动第一定律还规定初相φ＝σ+u，与ξ+ζ成正比，系数为漂动常量B。即σ+u＝B(ξ+ζ)

从①式：漂腹Ξ₀＝|Ae^iφ|。Ξ(r，t)还有一个常量Ae^iφ；其中初相φ＝B(ξ+ζ)＝2π(ч+μ)

从②、③、

式得：

设n为整数。当ч转动(2n-1)/2时；Ξ(r，t)反对称；当ч转动2(n-1)/2时；Ξ(r，t)对称。

当μ转动(2n-1)/2时；Ξ(r，t)反对称。当μ转动2(n-1)/2时，即μ＝(n-1)；Ξ(r，t)对称。

∵自荷ξ＝λyC＝σ/B；∴元质量y＝σ/(BλC)。角自旋σ＝yBλC。基粒表面上漂长λ＝σ/(BCy)。

∵位荷

∴基粒电荷角位旋

角自旋σ＝1/2的元质量常数α＝σ/(BC)＝1.7576×10^-43千克米。电子表面漂长λ＝1.93×10^-13米。

电荷常数Y＝C/B＝3.1637148×10^-26千克立方米/秒平方。量子力学精细结构常数

定义：体粒系统在动宇反演

下漂动Ξ变化，称为动宇反演

即

推论11：若系统中所有体粒在动宇

反演时漂动(即物理规律)不变；则静止质量或纯动质量不变。

定义：体粒系统在能宙

反演下漂动Ξ变化，称为能宙反演

即

推论12：若系统中所有体粒在能宙

反演时漂动(即物理规律)不变；则系统的电荷不变。

定义：角自旋σ为2^-1的奇数倍，称为费米子(fermion)；角自旋σ为2^-1偶数倍，称为玻色子(Boson)。

实验表明：电子、质子、中子等为奇宇称的费米子；π介子、光子、α粒子等为偶宇称的玻色子。

费米子的PT反演等效于其漂动相位的反变换。其漂动的空间反演P、粒性反演C或PC都不守恒。

以上各种定义不仅适用于静子和动子，也适用于它们的各种复合态(composite states)和激发态。

强子分为：角自旋σ为1/2奇数倍的重子和角自旋σ为零或1/2偶数倍的介子。轻子都为费米子。

定义：位荷ζ为-(2B)^-1的核子，称为中子。位荷ζ为(2B)^-1的核子，称为质子。

定义：位荷ζ为(B)^-1介子，称为π⁺；位荷ζ为0介子，称为π⁰、位荷ζ为-(B)^-1介子称为π-。

从

式可得定理：基粒既有空间的宇称或时间的宙称，又有内禀的自旋或位旋。它们既有时空反演变换，也有内禀变换。系统的总变换，是空间宇称和/或时间宙称变换与内禀的自旋和/或位旋变换之积。

各种聚合的基粒系统的漂动的复合态和激发态服从叠加规则。于是一群波色子结合成一个聚合波色子。对于费米子，基粒数目为奇数的聚合体是一个费米子；基粒数目为偶数(含0)聚合体是一个波色子。

定义：动量P点乘自旋σ，除以它们绝对值之积，称为螺旋性(helicity)β：β＝P·σ/(|P||σ|)。

角自旋(或角位旋)类型根据实验确定。例如在原子核内，每个核子可近似在其他核子产生的中心场中独立运动。核子间的相互作用不仅产生一个平均场(单核子势)，而且还有平均势不能包含的部分，称为剩余相互作用。短程的成对相互作用(也称为对关联)是剩余相互作用中最主要部分。原子核基态中角自旋，只有中子或质子两两成对(角位旋相反)时，角自旋为零，其他物理量都相同；即基态的电流密度j＝0。由于角自旋不同，仅影响与时空无关的漂动初相，不影响物理量出现的概率。因此成对核子在空间靠近的概率最大，相互作用最强，能量最低。偶数的中子或质子，对漂动的角自旋没有贡献。因此所有的偶偶核(中子数和质子数都是偶数的原子核)的角自旋都为零，宇称为1。奇奇核的角自旋取决于最后一个中子和质子之间耦合。由于中子和质子的角自旋都是1/2，而轨道角动量总是整数。耦合结果必定是整数。因此所有的奇奇核的角自旋都是(2B)^-1的偶数倍。同理所有奇偶核的角自旋都是(2B)^-1的奇数倍。

角自旋(或角位旋)守恒与在角自旋(或角位旋)转动下所有相互作用的不变性是相同的。角自旋(或角位旋)的符号(方向)不重要；中子和质子的角位旋取值，在整个宇由人为确定，但必须统一。

实验表明：一定种类的体粒，其内部特性要么具有偶宇称和/或偶宙称；要么具有奇宇称和/或奇宙称。

电子及其激发态(中微子)为费米子。重子及其激发态为费米子。介子及其激发态为波色子。

若两个全同波色子相交换，则Ξ＝Ξ；Ξ≠0，是允许的。同理2n、2n+1个全同波色子也允许。

推论13：一个系统中两个或以上全同玻色子可以占有相同的漂动状态。

若两个全同费米子相交换，则Ξ＝-Ξ；Ξ＝0，是不允许的。同理2n、2n+1个全同费米子也不允许。

推论14：一个系统中两个或以上全同费米子不能占有相同的漂动状态。

泡利(Pauli)关于电子不相容原理只是推论12中全同费米子的特例。它可推导出来，不应当是原理。

定义：凡是满足关系：

的算符

称为交换子算符。

物理量(如动量、能量、角动量等)的量度及其算符满足：

$<\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)>={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}\mathrm{\&psi;}*(r,t)\hat{W}\mathrm{\&psi;}(r,t)\mathrm{d\&tau;dt}={{\&Integral;}_{-\&infin;}}^{\&infin;}\mathrm{\&psi;}*(r,t)\hat{W}\mathrm{\&psi;}(r,t)\mathrm{d\&tau;dt};$

${\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}\mathrm{\&psi;}*\mathrm{\&psi;}\widehat{W*}\mathrm{d\&tau;dt}=<\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)>*={\&Integral;}_{\mathrm{\&Omega;}}(\mathrm{\&psi;}*(r,t)\hat{W}\mathrm{\&psi;}(r,t))*\mathrm{d\&tau;dt}={{\&Integral;}_{-\&infin;}}^{\&infin;}\mathrm{\&psi;}(r,t)\hat{W}*\mathrm{\&psi;}*(r,t)\mathrm{d\&tau;dt}$

∵量度

推论15：物理量W的量度

所对应的线性算符

必定为线性的交换子算符。定义：若

称

为共轭算符。一个算符与其共轭算符相等，称为自共轭。

定义：算符

对任意函数f(x)符合

则称

相乘或相作用。

定义：量度

构成的差值

称为互相共轭量度

之差，简称度差

定义：算符

构成的差值

称为互相共轭算符

之差，简称算差

设量度为的算符为

从⑤式得：

$\left[\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{Y}(r,t)\mathrm{\&psi;}(r,t)\right]*\&CenterDot;\left[\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{\&psi;}(r,t)\right]=\mathrm{\&psi;}*\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{Y}*(r,t)\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)$ $\mathrm{\&psi;}=\left[\hat{Y}\mathrm{\&psi;}\right]*\left[\hat{W}\mathrm{\&psi;}\right]=\mathrm{\&psi;}*(\hat{Y}*\hat{W})\mathrm{\&psi;}.$

$\left[\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)\mathrm{\&psi;}(r,t)\right]*\&CenterDot;\left[\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{Y}(r,t)\mathrm{\&psi;}(r,t)\right]=\mathrm{\&psi;}*\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}*(r,t)\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{Y}(r,t)$ $\mathrm{\&psi;}=\mathrm{\&psi;}*\left(\hat{W}\widehat{*Y}\right)\mathrm{\&psi;}.$

$\mathrm{\&psi;}*[\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{Y};\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}]\mathrm{\&psi;}=\mathrm{\&psi;}*[\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{Y}*(r,t)\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}(r,t)-\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{W}*(r,t)\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{Y}(r,t)]$ $\mathrm{\&psi;}=\mathrm{\&psi;}*(\hat{Y}*\hat{W}-\hat{W}*\hat{Y})\mathrm{\&psi;}=\mathrm{\&psi;}*[\hat{Y};\hat{W}]\mathrm{\&psi;};$

且

若则

W可精确测量。若

时；则

推论16：任意两个量度

及其算符

其度差

和算差

相等。若

则

物理量W可精确测量。若则度差

设

分别为物理量(可交换)算符：

设

${{\&Integral;}_{-\&infin;}}^{\&infin;}{\mathrm{\&psi;}}_m*{\mathrm{\&psi;}}_m\mathrm{d\&tau;dt}={{\&Integral;}_{-\&infin;}}^{\&infin;}\mathrm{\&psi;}*{\left(\hat{W}\right)}^2\mathrm{\&psi;d\&tau;dt}=<{\left(\hat{W}\right)}^2>;$ ${{\&Integral;}_{-\&infin;}}^{\&infin;}{\mathrm{\&psi;}}_n*{\mathrm{\&psi;}}_n\mathrm{d\&tau;dt}={{\&Integral;}_{-\&infin;}}^{\&infin;}\mathrm{\&psi;}*{\left(\hat{U}\right)}^2\mathrm{\&psi;d\&tau;dt}=<{\left(\hat{U}\right)}^2>;$

${{\&Integral;}_{-\&infin;}}^{\&infin;}{\mathrm{\&psi;}}_m*{\mathrm{\&psi;}}_n\mathrm{d\&tau;dt}+{{\&Integral;}_{-\&infin;}}^{\&infin;}{\mathrm{\&psi;}}_n*{\mathrm{\&psi;}}_m\mathrm{d\&tau;dt}={{\&Integral;}_{-\&infin;}}^{\&infin;}\mathrm{\&psi;}*[\left(i\hat{W}\right)*\hat{U}+\hat{U}*\left(i\hat{W}\right)]\mathrm{\&psi;d\&tau;dt}=-i<\hat{W};\hat{U}]>;$

它们代入Schwarz不等式：(∫_-∞ ^∞ψ_m ^*ψ_mdτdt)·(∫_-∞ ^∞ψ_n ^*ψ_ndτdt)≥[∫_-∞ ^∞ψ_m ^*ψ_ndτdt+∫_-∞ ^∞ψ_n ^*ψ_mdτdt]²/4

若

(或-i/B)；得

漂动属于特征函数时，任意一个物理量，会具有相应的特征值。漂动属于非特征函数时，任一物理量，得到的是特征值的概率密度。概率仅是涉及物理量在非特征态的分布。理论上并没有不确定性(测不准)。

海森伯“测不准原理”表明空虚时空点有无限能量；与能量守恒定律广义相对论都矛盾；是错误的。

设基态矢ψ₁(n＝1)的能量为E₁；若n＞1，则正交漂矢具有分立的能量E_n；它们为特征函数的特征值。

定态漂动具有J个不同能量E_n，各个物理量W_n对应于相应的定态正交漂矢ψ_n(r)，(n为1、2···J)。设定态ψ(r)有ψ_m(r)、ψ_n(r)；从

式：

令ψ0_m、ψ_0n为ψ_m(r)、ψ_n(r)的漂腹；设

则∫_Ωψ^* _mψ_mdτdt＝1；∫_Ωψ^* _nψ_ndτdt＝1；

推论17：任一个算符的一系列特征函数的漂腹皆为单位漂腹，并且特征函数彼此正交(orthogonal)。

可以推导出推论18：体粒相对于观察者运动，其漂动有多普勒(C.J.Doppler)效应。

可以推导出推论19：光子照射在物体表面上会产生光压；光子照射在金属表面上具有光电效应。

运动体粒碰到障碍物时被反射，在碰撞面的法线上动量的方向变为相反。定态的正交漂动Ξ(r，t)是空间函数∑φ_n(r)。根据公式③，漂动相位突变π。它称为漂动的半漂损失。

推论20：定态漂动被反射时，发生π相位突变(半漂损失)。

可推导出推论21：体粒具有康普顿(A.H.Compton)效应。推论22：光子具有动质量m＝ω/(BC²)。

原子核外存在的离核半径r不同的分立圆形漂线。运动电子占据该分立漂线的厚度dr薄层，称为壳层。壳层里运动电子不发射或吸收光子。当电子从一个壳层跃迁到另一壳层时，发射或吸收壳层能量差的光子。

光子携带1份与其漂域的频率成正比的能量E＝2πν/B；与漂数成正比的动量P＝2πN/B。

光子及其漂域，在脱离光源之后；或者在被运动接收器接收之前；都以固定光速C运动。

光速不变定理：真空或介质中光速，与光源的速度或光子接收器的速度无关，是一个固定值。

在系统中量度的期望值是物理量的代表值；满足静数、质量、电荷、动量、角动量和能量的守恒定律。

物质漂动第二定律：系统各个量度

在漂域Ω中期望值

遵守动量守恒定律、角动量守恒定律、质量-能量守恒定律、电荷守恒定律、重子数守恒定律、轻子数守恒定律、奇异数守恒定律。

设动量为P的体粒，在势能为U(r，t)的势场中运动；体粒的动能为E_k；其总能量为E；则

E＝E_k+U(r，t)＝P²/2m+U(r，t)；设E的量度为

P2的量度为

U的量度为

从物质漂动第二定律得：

设E、P、U的算符为

从上式和⑥式得：

(能量期望值的守恒方程式)

上式的充分和必要条件是：

将⑩式和

式代入上式得：

上式称为漂动的非相对论的动力学方程，是漂动的中心方程之一，可解决各种分子和原子结构问题等。

是拼凑出来假设；碰巧适用于势场U(r，t)＝势场算符

的情况。上式

波动普遍方程是错的。

漂动常量B的值很大，故宏观物体伴随的漂长都非常短；可不考虑漂动。漂动学可转化为经典物理学。

分子或原子、原子核、基粒范畴的各个体粒的半径不同，它们的漂线范围不同，漂动性质也不同。

设原子核中势场为V(r)；体粒的动量为P，能量为E。球坐标系中，设势场V(r)与时间t无关，可采用分离变量法。设代入非相对漂动普遍方程

令ε为分离常数，可得：

设t＝0时，

则与时间有关

该解是角频率ω＝漂动常量B乘以分离常数ε的漂动。能量E＝ω/B＝ε。胡分离常数ε是总能量的量度。

Ξ(r，t)中与时间无关的Ψ(r)方程满足：

采用球坐标(r、θ、φ)，上式分解为三个分别只含R(r，ε)、Θ(θ)、φ(φ)常微分方程。ε为体粒能量。

令

(其中m为磁矩)。

上式∑Ξ_0n为单位漂腹；R(r，ε)是径向漂动，只与r大小有关；P_L ^m(cosθ)是缔合勒让德多项式(Legendre polynomial)，其微分形式为：P_L ^m(x)＝(2^L L！)^-1(1-x²)^m/2d^L+m(x²-1)^L/dx^L+m；

其中x＝cosθ，L为轨道角动量。

原子核是一个具有永久形态的对称椭圆，z轴是对称轴，并且绕x或y轴呈现集体转动。设它绕x轴有转动惯量

角自旋(算符为

)；则转动能

其算符

角自旋算符

本征值与本征函数由

确定；I＝0，1，2，…(B为漂动常量)。

理论证明

本征值为[I(I+1)]^1/2/B。实验证明原子核具有角自旋，其总角自旋等于[I(I+1)]^1/2/B。

现讨论原子核衰变：设势场为V(r)；势场V(r)与时间t无关。分离变量法常数为λ：质能关系：E＝yC²。

$\&PartialD;\mathrm{\&psi;}(r,t)/\&PartialD;t+C^2\&PartialD;\mathrm{\&psi;}(r,t)/\&PartialD;\&ni;=0$ ⑦

设

代入

式得：

设t＝0时，

则原子核的反射性衰变

这种核衰变是原子核自发产生的变化，服从核漂动的规律。设全同原子核在t时刻数量为n(t)，得：

则

式两边乘n(t)得：(放射性衰变定理)

其中常数λ为一个原子核在单位时间内发生衰变的概率；称为衰变常数。各种放射性元素都有特定的衰变常数λ。自然界没有两种原子核的衰变常数λ相同。半衰期T＝ln2/λ＝0.693/λ。各种半衰期相差很大。放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数，称为该物质的放射性强度

定义：放射性强度A与放射性物质总质量m之比A/m，称为比放射性(Specific activity)。

定义：体粒有一定的概率能够穿过大于其能量的势垒而逸出，称为体粒隧道贯穿效应现象。它可解释α衰变。α衰变产生的α粒子来自原子核内，α粒子受到核力吸引，但在核外α粒子将受到库仑力的排斥。因此在核表面就形成一个势垒。可以推导：α衰变的半衰期T的对数与α衰变能E₀成正比：lnT＝A E₀ ^-0.5+B。

定义：原子核从激发态向低能态跃迁时将能量直接传给核外电子，使其离开原子，称为衰变内转换(IC)。

定义：原子核俘获核外轨道上的一个电子，使原子核中一个质子转为中子，称为轨道电子俘获(EC)。

β衰变是核子电荷改变而核子数不变的原子核内衰变。高激发态原子核向低激发态跃迁，放出Y光子。其中β^-衰变和衰变内转换是核内一个中子变为质子；β⁺衰变和轨道电子俘获是核内一个质子变为中子。质子和中子是核子角位旋的两个不同状态。因此质子和中子之间的转变，是漂动状态之间的跃迁。在跃迁过程中，核子吸收(或放出)电子和反中微子(或中微子)。

对于原子核，中子过多的不稳定核素发生β^-衰变；质子过多的不稳定核素发生β⁺衰变轨道电子俘获；处于高激发态的核素发生Y衰变或衰变内转换；重的不稳定核素通常发生α衰变或自发裂变。

在α衰变和β衰变过程中，母核往往衰变到子核的激发态，子核向低激发态或基态跃迁而放出Y光子，称为Y衰变。这种Y光子具有分立的能量。它不帯电荷，又无质量，故Y衰变时原子核的电荷和质量不变。

ψ(r，t)中与时间无关的ξ(r)方程：

(λ为衰变常数)

静止体粒的体粒位于原点时，ξ(r)＝f exp[λr/C²]；f为常数，由边界条件确定。

α衰变、β衰变和Y衰变都遵从指数衰变公式

λ是衰变常量，也是跃迁概率。

具有一定能量的体粒(粒子)a打到靶核A上，可发生的反应方式一般不止一种，且随入射能量增加，反应方式增多。每一种核反应过程称为一个反应道。核反应过程以靶核A为静止参照系。

设入射体粒a、靶核A、出射粒子b、余核B，能量为MaC²+E_a、M_AC ²+E_A、M_bC ²+E_b、M_BC ²+E_B；对核反应a+A→b+B，设θ_L为体粒b出射角。能量守恒：M_aC ²+E_a+M_AC ²+E_A＝M_bC ²+E_b+M_BC ²+E_B；

定义反应能Q为(M_a+M_A-M_b-M_B)C²＝E_b+E_B-(E_a+E_A)＝B_b+B_B-B_a-B_A(结合能的释放)。

可得Q方程：Q＝(M_b/M_B+1)E_b+(M_a/M_B-1)E_a-2(E_a E_b M_a M_b)^1/2cosθ_L/M_B。

从⑦式和

式得：

故静子或动子质量y算符

可得基粒激发态质量。

相对性原理：在一切惯性坐标系中，物理学的各种现象和规律都是相同的。

将物质漂动第一和第二定律、相对性原理、光速不变定理相结合，可推导出以下相对论普遍漂动方程。

设体粒动量为P、动量算符为

算符σ特征值为+1或-1；定义体粒螺旋性

则可得：光速为c、质量为m、能量为E的自由体粒的相对论的能量动量关系(E/c，P)：E²/c²-P·P＝m²c²；自由体粒的相对论漂动方程为：

其中对于n个体粒的系统，ψ(r，t)是n个正交漂矢分量的组合矩阵，共有n²个分量；α与β分别是n²×n²的Dirac矩阵。同理有势场U的相对论漂动普遍方程：

利用相对论漂动方程研究原子的能量分布、电子的宇称、磁矩和电子高速运动的性质等都与实验相符。该方程有两个解：在一个解中体粒的能量总是正的，称为正体粒(或正粒子)；另一个解中体粒的能量总是负的而且存在无穷多负能级，称为反体粒(或反粒子)。反体粒与同类的正体粒的质量相同，电荷相反；且各种物理量分布是完全对称的。正体粒构成通常实物质。反体粒构成虚物质。反体粒可用同类正体粒湮灭。

Dirac相对论普遍方程：

它只适用于势场U(r，t)＝势场算符

情况。故基于薛定谔波动方程的Dirac相对论波动普遍方程是错误的。

物质漂动第三定律：反体粒与对应的正体粒的质量相同，能量和电荷相反；反体粒遵循的物理规律和定律，与对应的正体粒相同。无论正、反体粒系统，能量绝对值都是越低越稳定，并存在最低能态。

粒子数目也是一种物理量的量度，同样可以将其变换成粒子数的算符，从而解释粒子的产生和湮灭。

定义：原子核外各个壳层里的电子都具有确定能量，称为能级。其中能级最低的壳层状态，叫基态。比基态的能级更高的壳层状态，称为激发态。寿命比较长的激发态，称为亚稳态。

每种原子有一系列的与不同定态对应的能级。当电子从一个能级变换到另一个能级时，称为电子跃迁。原子中电子受光子的漂动角频率ω＝B(E₂-E₁)作用，低能级E1的电子吸收光子会跃迁到高能级E₂，称为受激吸收跃迁；高能级E₂的电子跃迁到低能级E1并释放出漂动角频率ω＝B(E₂-E₁)的光子，称为自发辐射跃迁；高能级E₂的电子受光子漂动角频率ω的作用，跃迁到低能级E₁并释放出与角频率ω＝B(E₂-E₁)、相位、运动方向都相同而且数量增加的全同光子，称为受激辐射跃迁。

定义：一种体粒的状态能级差与具有该能级差的另一种体粒相互之能量转移的现象，称为漂共振。

定义：漂共振作用下若干个体粒能量互相结合或分离的过程，称为体粒吸收或释放另一种体粒的现象。

以上《漂动学》是以“物质漂动三律”为基础的物质结构和物理学新理论。以下为《簇体学》理论。

定义：在物体中的尺寸，纳米尺度是指0.1-100纳米之间的尺寸；小尺度是指微米级(0.1-100微米)尺寸或者比其所在的物体的尺寸小得多的尺寸范围。大尺度是指100微米以上的尺寸或大物体尺寸。

定义：与物体中超微颗粒所占空间的体积相等的圆球直径，称为该颗粒的等同直径。

定义：具有特定化学性质的或者在化学变化中不可再分的最小物质结构颗粒，称为最小的物理和化学的物质颗粒，简称物粒。物粒是多种多样的：原子(如金属)、离子(如盐类)、分子(如水)、高分子等。

定义：两个或两个以上的物粒通过它们互相作用力能够凝聚在一起的等同直径基本在纳米尺度内的物质超微结构颗粒集团或颗粒团簇，称为物质纳米尺度颗粒，简称纳粒。此处的超微结构颗粒集团是指具有一定功能的分子团；颗粒团簇一般是指以化学键以外的分子间的互相作用力而连接的具有特定功能的多个物粒所组成的聚集体或组装体。即纳粒是由多个分子、离子或原子等组成的聚集体(如陶瓷、有机分子、橡胶等)或组装体(如脱氧核糖核酸DNA、核糖核酸RNA、分子团、原子的激发态、过渡态、吸附态等)。

定义：在物体中物粒的重心或物粒的物理拓扑结构的等同点，称为物粒的结点，简称为物点。

定义：在物体中纳粒的重心或纳粒的物理拓扑结构的等同点，称为纳粒的结点，简称为纳点。

定义：物点或纳点按照一定的规律有规则地周期性地重复排列所形成的三维空间阵列，称为空间点阵。

定义：物粒和纳粒，统称为构粒。物粒的物点和纳粒的纳点，统称为空间点阵的构粒结点，简称构点。

定义：将空间点阵中的构点用直线段连接所形成的有规则地周期性重复排列的各种平面，称为纳面。

定义：两个纳面之间的夹角，称为纳面角。两个纳面相交的直线，称为纳棱。

定义：在某些物质中通过构点可以作许多平行于纳棱的线段族，称为钠线。

定义：某些物体中由相邻纳面组成的具有周期性排列的确定的立体网格，称为序格。

定义：物体或纳粒中两个相邻物粒的物点之间的距离，或者两个相邻纳粒界面之间的两个相邻物点之间的距离，都称为该两个物点之间的本体距离，简称本体距离。它实质是该物粒所占空间的平均直径。

定义：没有任何一维大尺度线条(直线段或曲线段)所有本体距离都在纳米尺度内的物体，称为矿体。

定义：至少有一维大尺度线条(直线段或曲线段)上所有本体距离都在纳米尺度内的物体，称为簇体。

簇体与矿体只是空间点阵结构中缺陷数量和分布情况的不同；簇体不是纳米材料(即第三态固体材料)。

“簇体是至少有一维大尺度线条上所有的本体距离都在纳米尺度内的物体”，与现有的“纳米材料是至少有一维处于纳米尺度内，或由纳米单元构成的材料”的定义不同，分别表达不同的物质结构和物体性质。

定义：至少有一维线条(直线段或曲线段)上所有的本体距离都在纳米尺度内的物体颗粒，称为簇粒。

定义：当且仅当超微颗粒上三维线性无关的物粒的本体距离都在纳米尺度内的小尺度簇体，称为簇点。

定义：无数个簇点的集合物，称为簇体粉。它是零维簇体。

定义：当且仅当一维大尺度线条(直线段或曲线段)所有本体距离都在纳米尺度内的簇体，称为簇线。

定义：同一个棒状簇体中的许多条方向基本相同的簇线的集合体，称为簇体丝。它是一维簇体。

定义：当且仅当大尺度面(平面段或曲面段)的二维线性无关线条上所有的本体距离都在纳米尺度内的簇体，称为簇面。同一个薄膜中的许多个方向基本相同的簇面的集合体，称为簇体膜。它是二维簇体。

定义：当且仅当大尺度空间的三维线性无关线条上所有本体距离都在纳米尺度内的簇体，称为簇体块。

簇体的特点是无论物点是有序或无序的排列，“至少有一维尺度线条所有本体距离都是属于纳米尺度内的”。纳米材料“超微颗粒本身的微小尺寸”的定义与矿体的定义并无本质的不同。它们与簇体定义不同。

固体可分为矿体和簇体两个大类。矿体可分为晶体和非晶体两类。簇体可分为序体和非序体两类。

某些簇体的空间点阵结构，可由构点沿3个线性无关的钠线方向，各按一定的距离周期性地平移而构成。每一次平移的距离，称为该方向上的钠线周期。不同方向上的钠线周期一般是不相同的。

某些簇体的三维序格都能以某个适当的平行六面体作为基本单元，沿空间的线性无关的3个方向作周期性的堆砌而获得。这种周期性重复的基本单元，称为纳元。

纳元选取是任意的；有实际意义选法有两种。一种是其中能够具有最小周期性重复的纳元，称为原胞(cell)。它包含的构粒(包括原子、离子、分子)是最少的。原胞中只包含一种原子(或离子)的序格，称为简式序格；包含一种以上原子(或离子)的序格，称为复式序格。另一种是能够最大限度反映簇体结构本体的最小独立纳元，称为纳胞(Nano cell)。它各个边的长度称为序格常数；三个边长及其夹角，为纳胞参数。纳胞是从序格中选取的一个能够完全反映序格本体的最小几何单元。

定义：序格是由纳胞周期性重复排列所形成的长程有序的簇体，称为单纯长程有序簇体，简称单序体。

定义：序格是由纳胞周期性重复排列所形成的短程有序的小簇体，称为短程有序的簇粒，简称序粒。

定义：由许多无规则排列的序粒组成的簇体，称为多序粒簇体，简称多序体。它与单序体，统称序体。

定义：由许多无规则地杂乱排列的物粒或者簇粒组成的无序的簇体，称为非序的簇体，简称非序体。

晶体(或非晶体)与序体(或非序体)区别是：晶体(或非晶体)结构中存在小尺度的各种裂隙或缺陷，使得晶体或非晶体中不存在它具有的任何大尺度线条上的所有的本体距离都小于100纳米。

簇体很多奇特性质是这几种效应共同联合作用结果。它具有矿体所不具有的物理、化学、生物等性能。

定义：导电能力介于导体和绝缘体之间(10^-4～10⁸Ω·cm)的簇体，称为半导体簇体，简称半导簇体。它的导电能力容易受到温度、光照、电场、磁场以及微量杂质的掺杂而发生明显的改变。

序体是由许多小序粒组成；每个小序粒中的原子都按同一序列排列。若序粒与序粒是杂乱推积在一起，它们之间的排列取向没有规则，就是多序体。若序粒与序粒之间都是按同一序列整齐的排列，就是单序体。

定义：采用半导簇体制作的半导体器件，称为半导簇体器件。

定义：采用半导序体制作的半导体三极管器件，称为半导序体管，简称序体管。

许多化合物半导簇体具有与单元素硅半导簇体不同的光电特性。半导簇体是种类繁多的大科门类材料。它从单元素到化合物，从固态到液态，从序体到非序体，从无机材料到有机材料，从自然结构的序体到人工控制结构的序体等。其中砷化镓序体的电子迁移率很高，是硅序体的几十倍。故砷化镓序体管可以具有较高的工作频率，主要用于高速光电器件；但其热导率较低，不适合制作电力电子器件。同时砷化镓序体的禁带宽带比硅序体稍大，有利于制作较高温度下工作的器件。

半导簇体器件的特征尺寸在1-100纳米内；是由有限个原子(10²--10⁹个)构成的纳粒所组成体系。其中电子或光子是带有漂域的粒子。半导簇体器件比现有的半导矿体器件体积更小、速度更快、能耗更低。

由于《漂动学》和《簇体学》提供了新的原理和概念，将使半导簇体成为现代材料科学技术中一个方兴未艾的基础领域。利用半导簇体替代现有的半导体，可以制作高性能、小型化、集成化的半导簇体器件。其中光电子信息半导簇体是整个光电子技术的基础和先导。它包括光源和信息获取材料、信息传输材料、信息存储材料、信息处理等材料。半导序体管的属性由其单序体的序格结构决定。

纳胞是序体中的一小块体积，用它可重构出整个序体。三种基本的纳胞是简立方、体心立方和面心立方。

簇体某方向的纳格与运动电子的漂长相当或更小，则构点周期性的边界条件不被改变，必然导致它的光电转换和其他的各种性能发生根本性变化。这种体积效应；是簇体与矿体的本质区别。

元素半导序体主要是硅序体和鍺序体。此外还有III-V族、II-VI族、II-IV族、II-V族、V-VI族和VI-III族的二元化合物型半导序体，以及三元化合物型半导序体。

掺杂聚乙烯序体块具有半导体性质，称为有机半导序体。它导电的结构基础是共轭键成分。与半导体晶体相同，通过掺杂可以改变有机半导序体的电导率和半导体性质。

由于序体中长程有序的周期性重复的结构；各种序体有其共性，例如均匀性、各向异性、对称性和固定的熔点等。各种序体结构多样性和组成的千变万化，决定了该序体的各种各样的具体特性。

1、在熔融体中生长半导序体是单序体生长的基本技术，也称为直拉单序法。一小块籽序(纯单序体材料)接触到同种材料熔液表面上，周围施加一定压力(一般为1～1000个大气压)，从熔融体中缓慢提拉。当缓慢提拉籽序时，在固液分界面上发生凝固。通常当序体被提拉时还会缓慢旋转来搅动熔融体，以获得更均匀的温度。沾有熔液的序体缓慢地冷凝，才能形成有规则的几何形状。适量的杂质原子，比如硼或磷，加到熔融体中，这样生长后的半导序体就人为地掺入了杂质原子。

在硅序体生长时，如果在熔融硅中掺入杂质硼(或磷)原子，就可以获得P型(或N型)半导体硅序体。硅序体锭经过切割、研磨、抛光等步骤，获得抛光硅序体片。以抛光硅序体片为衬底，在它的上面就可以制造半导序体器件或集成电路的序体芯片。

为了将序体中不需要的杂质除去，可采用区域提纯法。即一个高温线圈，或r-f感应线圈，缓慢地沿着序体锭的轴向移过。由于线圈感应获得的温度足够形成熔液薄层，在固液界面处，杂质在两相间呈现某种分布。这种分布的参数(固体中的杂质浓度与液体中的杂质浓度之比)，称为分凝系数。如控制分凝系数为0.1，则液体中的杂质浓度将是固体中的10倍。当液态区域在材料中移动时，杂质随着液体被带走。r-f线圈移动几次之后，大多数杂质集中于序体棒的两端，它们被切除后，形成高纯度的序体。

由于纳粒不同，生成条件(熔液的温度、施加的压力、稠度和冷凝的速度等)不同，可以形成各种各样的半导序体。这种技术应具备两个前提条件：一个是应满足序体形成的生长机制；第二是应满足序体形成的工艺参数。半导序体集成电路的主要材料是元素硅单序体、元素鍺单序体和化合物砷化镓单序体。硅的主要特性是机械强度高、有序性好、自然界储量丰富、成本低，并且可以拉制出大尺寸的硅序体。

半导体生长之后，序体锭被机械地切削出合适的直径并做出沿轴向的一个平底面来表征序向。此平面与[110]方向垂直，，它是(110)平面。每个芯片沿着给定的序面制作，以使划片更容易些。接下来将序体棒切成片。机械双面打磨工艺能够获得一致厚度的平整序体片。表面还要用化学腐蚀去除操作的沾污。最后一步是抛光，得到光滑表面，在上面可以制作半导序体器件或进行后续的生长工艺。

用半导序体制成的半导器件有：二极管、放大器、振荡器、变频器、逻辑电路、运算电路和存储器等。

现有直拉单晶法技术，没有采用施加一定压力的方法，很难形成纳米材料中相邻颗粒的距离处处足够小。特别是有些材料在固液分界面上发生凝固时，没有施加高压，就只能形成晶体材料。

2、半导序体的外延生成技术是在半导序体器件和集成电路制造中应用的多用途生长技术。半导序体的外延生长是在常压下，在单序体的衬底的表面上生长一薄层单序体的工艺。

定义：用于更多半导序体工艺(如外延或扩散)的各种形状的基础单序体，称为衬底。如单序体硅片。

在外延工艺中，虽然其温度远低于熔点温度，单序体衬底还是起籽序的作用。当外延层生长在同种单序体的衬底上时，称为同质外延。当外延层生长在不同种单序体的衬底上时，称为异质外延。在异质外延中，为了生长单序体并避免许多缺陷，两种单序体的序格结构应当很相似。如在GaAs单序体衬底上外延AlGaAs(三元合金)单序体层就是一个异质外延的例子。大多数半导序体器件是在外延层上制作的。

2.1半导序体的化学气相沉积(CVD)技术，制作的硅外延层是通过含硅的气体往表面沉积适量的硅原子而在硅衬底上生长起来的。一种方法是在热单序体硅衬底上让SiCl₄和H₂发生反应；反应中硅析出并沉积到衬底上；此时HCl等其他化学反应物呈气态而从反应器中清除出去。这种技术可以获得衬底和外延层之间杂质的明显界限。它将帯给半导序体器件制作的很大灵活性。

2.2半导序体的液相外延(LPE)技术，利用半导单序体和其他元素的化合物的熔点可能比半导单序体本身的熔点低的特点；将半导单序体衬底放置到液态化合物中。由于化合物熔点比衬底的低，所以衬底不会熔化。随着溶液逐渐冷却，籽序上就会生长一层半导单序体。这种技术的工作温度比直拉单序法的低。它将应用于III-V族化合物半导单序体的生长中。

现有外延技术很难形成纳米材料中相邻颗粒的距离处处足够小，就只能在外延层上制作晶体器件。

3、半导序体的分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)技术，是以某种半导单序体的籽序(或籽序丝、籽序片、籽序块)作为衬底，让高纯度半导体材料的原子有规则排列在籽序衬底上，形成一层具有一定导电类型、电阻率、厚度及完整纳格结构的半导单序体层。

采用分子束外延工艺，半导单序体的籽序被固定在高真空中，温度基本在400℃～800℃范围内。半导体和掺杂原子被蒸发到衬底表面。在单序体衬底上一层叠一层地生长出不同材料的序体薄膜，其每层只有几个原子层的厚度。这样生长出来的序体，称为超序格序体。超序格序体将为半导器件的应用和发展开辟崭新的领域。它也称为“原子工程”。它通过人工设计和调控序体中的电子结构，由组分不同的半导序体超薄层交替生长而形成多层异质周期结构序体，可以推进半导序体器件的更高性能。这些结构对于光器件及其有用，比如激光二极管。对于这种技术，掺杂可以精确控制，从而可以得到很复杂的掺杂分布。AlGaAs等复杂的三元化合物单序体能够在GaAs等衬底上生长，通常要求获得突变的序格组分。

现有晶体中相邻颗粒的距离不是处处足够小，没有漂动性效应，故晶体的能量是连续的。

4、半导序体二极管是半导序体器件中最基本的部件。它一般有一个由掺杂了受主杂质的p型半导序体区和掺杂了施主杂质的n型半导序体区接触所形成的pn结，称为同质结。其特性与工作均与此pn结相关。

定义：半导序体的pn结内p型掺杂与n型掺杂的，称为序体冶金结，简称冶金结。热平衡状态下pn结内p区与n区的静电电势差，称为内建电势差。半导序体二极管的pn结由平面技术制备，这种技术包括热氧化工艺，提供在半导序体表面生长氧化层；光刻工艺用来在氧化层上开窗口；扩散或离子注入工艺用来在窗口区域制备pn结；金属连线工艺提供点连接其他电路器件。

序体二极管是由一个pn结、制备上相应的电极引线和管壳封装而成。由p区引出的电极线为正极(阳极)，由n区引出的电极线为负极(阴极)。序体二极管的种类较多，有整流序体管、稳压序体管、开关序体管、变容序体二极管、雪崩序体二极管、隧道序体二极管、发光序体二极管等。它们都以一个pn结为核心，但由于它们的工作原理、用途和工作条件不同，故不同序体二极管对pn结的要求是有很大差别的。如：

4.1点接触型序体二极管是由一根金属丝经过特殊工艺与半导序体表面相接触形成pn结。其工作机理是：在紧密接触的金属和半导体之间加上电压，由于表面势垒作用，加正、反向电压时产生的电流大小不同。由于点接触型序体二极管的pn结的面积小，结电容也小，不能通过较大的电流，适用于高频(几百兆赫～几千兆赫)、小电流(十毫安以下)的场合。主要用途：高频检波、混频、小功率整流和开关电路等。

4.2面接触型序体二极管是采用合金法工艺制成的。pn结面积大，能够通过较大的电流，但pn结电容也大，只能在较低频率下工作，一般作为整流使用。平面型序体二极管是采用扩散法制成的。其pn结面积可大可小。若pn结面积较大时，电流从几十安培到几千安培，主要用于大功率整流管；当pn结面积较小时，电流从几十毫安到几安培，可作为脉冲数字电路中的开关管使用。

4.3开关序体二极管是属于pn结结构的序体二极管；故其符号、伏安特性与开关晶体二极管相同。其突出的特点是作为开关元件要经过从开态-正向导通到关态-反向截止，再从关态到开态，需要具有良好的开关特性，开关时间要短。序体二极管从截止到正向偏压后的导通需要一段时间，称为正向恢复时间。序体二极管从导通转为截止需要一段时间，称为反向恢复时间。这两个时间之和称为开关时间。显然开关时间愈短愈好。开关序体二极管由于具有漂动性，其开关时间比开关晶体二极管的要短得多。

4.4发光序体二极管是一种将电能转换为光能的特殊序体二极管。它的基本结构也是由一个pn结构成。

虽然发光序体二极管与一般发光二极管都是由pn结制成的，并且管芯形成后必须用光吸收系数小的透明材料把管芯封装起来。但由于序体二极管具有漂动效应，它的转换效率比晶体二极管的高。

发光序体二极管包括可见光、不可见光、激光等不同类型，其发光颜色决定于所用序体材料的特性。它发光的机理是靠pn结注入的电子和空穴复合时释放出的能量，其中的一部分变为能够使半导序体发光。

发光二极管也具有单向导电性；正向电流愈大，发光愈强。它比发光二极管的优点：驱动电压低、功耗小、寿命长、可靠性高等；将广泛应用于各种照明和显示电路中。

现有晶体二极管没有“离散”效应，在pn结表面的能带是连续的，其各种功能和效率比序体二极管低。

5、同质结半导序体二极管是由同一种半导序体所构成一个或多个PN结的同质结的半导序体二极管。

两种不同能带隙(禁带宽度)的半导序体相接触可以形成一个pn结，该结称为半导序体二极管异质结。异质结一个有用的特性，就是能够在表面形成势阱。在与表面垂直的方向上，电子的活动会受到势阱的限制，但电子在其他两个方向上可以自由地流动。半导序体由一个窄禁带宽度的序体材料突变到宽禁带宽度所形成的pn结，称为序体突变结。冶金结两侧的掺杂浓度可以是线性分布近似的pn结组成，称为线性缓变结。

为了形成一个有用的异质结，两种序体的序格常数必须匹配。由于序格的不匹配会引起表面断层并最终导致表面态的产生，故序格的匹配非常重要。例如鍺与砷化镓的序格常数的匹配约为0.13％。

砷化镓-铝镓砷(GaAs-AlGaAs)的序格常数的差异不足0.14％。这种材料是复合半导序体，其中铝原子的含量与镓原子的含量之比可以改变，以获得特殊的性能。AlGa1-xAs的禁带宽带随铝和镓组分x的变化是一种函数关系。如0＜x＜0.45，这种合金序体是直接带隙材料；对于x＞0.45；它就成为间接带隙材料。对于0＜x＜0.35，禁带宽带为Eg＝1.424+1.247x(eV)。AlGaAs可以适度地重掺杂为n型，而GaAs则应轻掺杂。为了达到热平衡，电子从宽带隙序体AlGaAs流向GaAs，在临近表面的势阱处形成电子的堆积。依据漂动学的观点是，电子在势阱中的能量是离散化的。二维电子漂是指这样一种情况：电子在一个空间方向上(与表面垂直的方向)有离散化的能级，同时也可以向其他两个空间方向自由移动。表面附近的势函数可以近似为三角形的势阱；利用这个势函数可以求解非相对论漂动普遍方程，获得离散化的能级。

其他类型异质结的能带，同样存在能量离散化的现象。两个pn结的能带的不同将影响到半导序体电流-电压(I-V)特性曲线。考虑掺杂效应和隧道效应，异质结的I-V特性可予以改进。

如果用某种更宽的带隙序体来实现一个很窄的复合区域，就会使序体二极管的特性有很大的提高。为了提高半导序体的性能，可以使用多层复合半导序体的复杂结构。

半导序体元件能构成半导序体二极管。它们的组合可以产生变频、调相、逻辑、运算和存储电路等，以此完成信号加工任务。半导序体二极管利用漂动效应，可实现现有半导体晶体二极管不能实现的功能。

现有的半导体晶体二极管没有漂动性质；没有半导序体二极管器件所具有的序体隧道结。

6、具有两个隧道结的半导序体器件，称为半导体三极序体管，也简称序体管。它分为两种类型：

6.1序体管依靠掺杂硅序体的隧道结和漂动点的隧道效应灵敏，可观测到单电子行为。隧道结和漂动点是半导序体器件或者单电子器件(Single electron devices，SED)的基本单元。其重要参量是隧穿速率和阀值电压。一般要求隧道结电阻R_T＞＞R_K＝h/e²≈26kΩ(库仑阻塞电阻)。

半导序体器件是超高密度的集成电子器件。每个基本单元的尺寸小于10纳米；电路的集成度可达到10¹²Bit/cm²。它要求功耗小于0.46W/cm²。每开关一次，传输的电子数必须小于10个。因此半导序体器件中的漂动单元的操作接近单电子行为。其中最主要的基础器件是电子盒、半导体序体管和单电子存储器等。

6.2双极序体管的基本结构是有多个pn结，它们的结电压的正负情况可以有多种组合，导致序体管有不同的工作模式。有两种类型的双极序体管，即npn型和pnp型。每一种序体管都有三个不同的掺杂区和两个pn结。中心区域(基区)非常窄，故这两个结称为相互作用结。双极序体管的三端分别称为发射极、基极和集电极。反射区掺杂浓度高，集电区掺杂浓度最低。序体管的结构与晶体管相同，只是采用序体代替晶体材料。B-E结是正偏的，B-C结是反偏的(图2)。电子从反射区越过发射结注入到基区具有漂动性。

序体管的基本的工作原理：当序体管工作在正向有源区时，序体管一端的电流(集电极电流)受另外两个端点所施加的电压的控制。在一个npn型双极晶体管中，反射区、基区和集电区的典型掺杂浓度分别是10¹⁹cm^-3、10¹⁷cm^-3和10¹⁵cm^-3。双极序体管是用B-E结电压控制集电极电流。集电极电流是从反射区越过B-E结注入到基区，最后到达集电区的多子数量的函数。

集电极电流与发射极电流之比，称为共基极电流增益。各种不同的带电载流子具有颗粒性和漂动性。其在漂动作用下的流动可以定义出各种特殊电流。

集电极电流与基极电流之比，称为共反射极电流增益。它是三个因子的函数---发射极注入效率系数、基区输运系数和复合系数。发射极注入效率考虑了从基区注入到反射区的载流子；基区输运系数反映了载流子在基区中的复合；复合系数反映了载流子在正偏发射结内部的复合。双极序体管可以调节门电位，通过改变纳粒的漂动势能，从而调节电子的隧穿。所以双极序体管具有控制漂动电流输运的作用。

双极序体管的基本结构和等效电路与现有的双极型晶体管器件十分相似，都有源极、漏极和栅极，但它们的工作原理却并不相同。双极序体管是由两个隧道结和基区控制电子的隧穿运动；电流是由漂动化的单个或多个电子的阶梯式运动形成的。双极序体管是放大器件，可实现晶体管不能实现的漂动功能。

现有晶体管是通过两个背靠背的PN结控制大量电子流动，电流是连续的。

7、金属-绝缘体-半导体场效应序体管(图3)是不同于双极型序体管的另一类序体管。它是一种电压型控制器件。由于它的工作电流只涉及一种载流子(即多数载流子)，故也称其为“单极型序体管”。根据结构和制造工艺的不同，场效应序体管可分为三类：结型场效应序体管、金属-半导体场效应序体管和绝缘栅场效应序体管。在绝缘栅场效应序体管中可以单元素鍺(Ge)、硅(Si)为序体衬底，也可以化合物砷化鍺(GeAs)、磷化铟(InP)为序体衬底。金属-绝缘体-半导体序体(MIS)器件栅下的绝缘层可以选用二氧化硅、氧化铝等绝缘材料。其中金属(Metal)-二氧化硅(SiO₂)-硅(Si)系统，称为MOS场效应序体管。它是大规模集成电路和超大规模集成电路中最基本、最核心的组成部分。

金属-氧化物-半导体硅序体的结构，以半导体P型硅序体作为衬底，采用平面工艺制作N型沟道MOS场效应序体管的基本结构是一个四端器件。其是在轻掺杂浓度均匀的P型硅序体衬底上，用扩散或/和离子注入方法形成两个N⁺区，分别为序体源区和序体漏区，并制作欧姆接触电极，作为源极和漏极；在源区和漏区之间的区域上，用氧化工艺生长一层优质的二氧化硅薄膜，在氧化膜的上面用蒸发合金工艺制作欧姆接触电极，覆盖一层金属作为栅极。这样就形成MOS序体管的管芯。另外还有一个序体衬底电极B。在序体管应用时，一般将源极和衬底短接，形成一个三端器件。在集成电路中源极不与衬底相连而成为四端器件。序体管的P型序体衬底和两个N⁺区，称为MOS基区。

现有的晶体管没有漂动性质；没有半导序体管器件所具有的簇体隧道结。

8、半导序体的电导被垂直于半导序体表面的电场调制的现象，称为场效应。

结型场效应序体管在工作时只存在一种载流子，即多数载流子，故也称为单极序体管。

结型场效应序体管分为两种：一种是pn结场效应序体管；另一种是金属-半导序体结型场效应序体管。pn结场效应序体管是由pn结制成的；金属-半导序体结型场效应序体管是由肖特基势垒整流接触结制成的。

8.1pn结场效应序体管的横截面的结构(图4)，在两个p区之间的n区是导电沟道，这个n沟器件中，多数载流子电子自源极流向漏极，器件的栅极是控制端。图4中是将两个栅极连在一起形成的单栅极器件。由于在n沟序体管中，多数载流子-电子主要起导电作用，故pn结结效应序体管是多数载流子导电器件。将n沟道器件中的p区与n区互换位置，就形成了p沟道器件。在p沟道器件中，空穴从源极流向漏极。p沟道场效应序体管中电流的方向和电压的极性，与n沟道场效应序体管中的相反。沟道中的电流由栅电压控制。对电流的控制，一部分是通过栅电压实现的，而另一部分是序体管本身的行为。这种器件通常称为常开型或耗尽型器件。

8.2金属-半导序体结型场效应序体管(图5)的栅极是肖特基势垒整流接触，而不是pn结。金属-半导序体结型场效应序体管以由硅序体制成，也可以采用砷化镓或其他合成半导序体制成。图5是砷化镓场效应序体管的横截面的结构；薄的砷化镓外延层作为有源区，衬底由具有高电阻率的砷化镓序体制成，即半绝缘型衬底。砷化镓中有意地掺入铬，铬作为单一的受主杂质接近于禁带的中间，使它半绝缘，具有电阻率10⁹Ω-cm。这种器件的优点在于它具有高的电子迁移率，故具有较低的输运时间和较快的反应速度，并且减少了寄生电容的影响；由于采用半绝缘的砷化镓序体衬底，故制造工艺简单。在图5中，当在栅源极之间加一个反偏电压时，在金属栅极下面产生一个空间电荷区，用以调制沟道电导。

现有的pn结场效应晶体管中电子没有漂动效应，而pn结场效应序体管中电子具有漂动效应。

9、半导序体功率双极序体管中的垂直式功率序体管的结构，集电极在器件的底部。这种结构会使在器件中电流流过的横截面的面积最小化。另外，掺杂的浓度和尺寸也与小的开关序体管中不一样。最原始的集电极区域是低掺杂浓度的，n⁺约10¹⁹cm^-3，使得可以在基极与集电极之间加上大的电压，而不会产生击穿。而另一个集电极漂移n区，因为有更高的掺杂浓度，n^--大约10¹⁴cm^-3，会减小集电极串联电阻，并且可以与外部的集电极形成欧姆接触。基区p约10¹⁶cm^-3，比小型的半导序体器件中的宽。较大的集电极与基极电压意味着将在集电区和基区引入一个相对较大的空间电荷区。一个相对较大的基区宽带是为了防止穿通击穿。与发射极相连的反射区的n⁺约10¹⁹cm^-3。相对较小的发射结宽带可以减小发射结电流集边效应。

功率序体管相对较宽的基区宽度意味着更小的电流增益β。其典型值在20～100的范围内；而且会受到集电极电流和温度的强烈影响。最大额定电压值总是与反偏B-C结的雪崩击穿相联系。在共发射极结构中击穿电压机制包括序体管增益以及pn结中的击穿现象。功率双极序体管中，平均功耗必须低于某一个最大值，以确保器件的温度低于一个允许的最大值。

功率序体管具有垂直的结构和一个交叉的基射表面结构。集电极漂移区(掺杂浓度和宽带)决定了功率序体管的额定截止电压，而基区宽度必须足够大，以避免在截止电压时的穿通击穿。

功率序体管的特性由三个量描述：最大额定集电极电流、最大额定电压、最大额定功率。这三个参数决定了序体管的安全工作区。由于功率序体管有相对较宽的基区，比小开关序体管有更小的电流增益。

现有的半导体功率双极晶体管中的垂直式功率晶体管电子没有漂动性能，能量没有离散化效应。

10、半导序体闸流管能够实现双稳压正反馈开关转换特性。一个序体管由于使用了基极驱动或者栅极电压，就可能导通。硅半导序体整流器是一种有栅控电极的四层pnpn结构(图6)。其中最顶层的p型区域称为阳极，最底层的n型区称为阴极。如果正电压加在阳极上，器件在理论上来说应处于正偏状态。但是实际上结J₂却处于反偏状态，所以只有一个非常小的电流。若在阳极施加一个负电压，则结J₁J₃将处于反偏状态；故同样只有一个非常小的电流出现。

当器件进入导通状态时，可考虑器件模块化为耦合npn和pnp双极序体管。图6中显示了如何分开这种四层结构的方法。

图7中显示了这两个序体管的等效电路。因为pnp序体管器件的基极就是npn序体管的集电极，基极电流事实上是另一个序体管的集电极电流。同样，因为pnp序体管的集电极电流就是npn序体管的基极。故一个序体管集电极电流也就与另一个序体管的基极电流相同。基本的pnpn序体器件能够被模块化为耦合的npn与pnp双极序体管。在开态时，两个双极序体管都进入饱和态，从而产生大电流和低电压的情况。

由于具体应用的不同，半导序体闸管根据不同的具体性能制造。在制造许多种类半导序体闸流管器件时，有多种掺杂、做埋层、外延生长的结构。其中最基本的半导序体闸流管结构(图8)：p₁区和p₂区被掺入高电阻率n₁材料。于是n⁺阴极形成，p⁺栅接触电极也形成。有较高热传导率的材料可用做阳极和阴极的欧姆接触，其目的在于可使高功率器件的热量很快散出。其中n₁区域的宽度可能在250微米左右，以容纳J₂结的相当大的反偏电压。p₁区和p₂区的宽度在75微米左右，而n⁺与p⁺区为正常的薄层区宽带。

半导序体闸流管有以下一些派生器件：

10.1双向半导序体闸流管是把两只半导序体闸流管组成的反并联电路集成在同一个硅单序片上。它是一种可在正、反两个方向传导电流的器件。

10.2光控半导序体闸流管是用光信号代替电信号对器件进行触发的电力半导序体器件。它的门极回路与主回路完全绝缘，抗干扰能力很强，使其成为高压直流输电、无功功率补偿等高压交流设备上理想器件。

10.3门极关断半导序体闸流管具有高阻断电压、大电流、双稳态功能以及自关断的特点。它是一种具有自关断闸流管。门极关断半导序体闸流管同样具有四层三端结构；它的导通原理和普通闸流管相同。

10.4场控半导序体闸流管是一种由场效应序体管来控制闸流管开关的复合型功率器件。它兼备场效应和双极型器件的特点，具有高压、大电流、低导通压降、高输入阻抗等，可以自关断。

现有半导体晶闸管没有漂动性能，电子的能量是连续的，没有离散化效应，性能比半导序体闸流管差。

附图说明

图1扫描隧道显微镜示意图。它是检测微观形貌和进行微细加工的；具有极高的空间分辨能力。

图2序体管的结构示意图。B-E结是正偏的，B-C结是反偏的。电子从反射区越过发射结注入到基区。

图3MOS场效应序体管示意图。它核心是金属-氧化物-半导序体电容。在氧化物上面淀积硅多序体。

图4pn结场效应序体管的横截面示意图。多数载流子电子自源极流向漏极，器件的栅极是控制端。

图5金属-半导序体结型场效应序体管示意图。它的栅极是肖特基势垒整流接触，而不是pn结。

图6半导序体闸流管示意图。它能够实现双稳压正反馈开关转换特性；是一种有栅控电极的pnpn结构。

图7两个序体管的等效电路示意图。pnp基极就是npn集电极，基极电流是另一个序体管的集电极电流。

图8半导序体闸流管示意图。p₁区和p₂区被掺入高电阻率n₁材料；形成n⁺阴极和p⁺栅接触电极。

具体实施方式  半导序体中共有化电子受到周期性点阵的作用，与晶体中电子是不同的。由于长程有序的周期性重复的结构，半导序体有其共性，例如均匀性、各向异性、对称性和固定的熔点等。半导序体结构的多样性和组成的千变万化，决定了半导序体各种各样的具体特性。半导序体中的纳粒(包括分子、原子或离子等)的表面存在电荷；其在空间的排列呈规则的、周期性的阵列形式，一方面是由于两个纳粒中的原子之间存在电磁相互作用；另一方面也是由于电子漂域的漂动性产生有不同结构的半导序体。

按结合力的不同，可以将半导序体大略分为五个典型的结合类型：离子键合(离子序体)、共价键合(原子序体)、范德瓦尔斯键合(分子序体)、金属键合(金属序体)和氢键合(氢键序体)。这种根据结合力的性质，将半序体分为五种典型的分类是相对的。例如，在大多数情况下，离子键合与共价键合并无明显的界限，而是具有部分离子性和部分共价性的。金属键合与共价键合之间的分界也不是明确的。有些金属键合中含有共价的成分。对于大多数序体，结合力的性质是综合性的。

利用扫描隧道显微镜(图1)可以人工操纵原子。在现代超大规模集成电路芯片的光刻(Lithography)加工中，目前广泛应用的是深紫外光的光刻技术。它加工的最小线宽为130纳米。

1.半导序体基本生成技术：半导体材料(包括有用的掺杂物质)经过长时间高温加热后，保持在非序凝点Tg(即非序体呈现完全固态的温度，它不是常数)以上直至熔点Tm，并对即将凝固的材料进行振动或搅动；一方面依靠外部输入能量促使籽序或序核提前形成，另一方面促使籽序的数目增加。在周围自由空间施加一定压力(范围一般为10²kPa～10⁵kPa)条件下；由拉着该种序体的籽序体(可为籽序条、籽序片或籽序块)的机械装置(例如夹持器)非常缓慢地顺着逆时针方向旋转，将浸入该种材料的熔融液表面上(或熔融液中)的籽序体向上拉起；起先接触籽序体上的熔融材料将按照该籽序体的纳面和纳面角以及纳胞的纳格形状等首先形成有规则、长程有序排列的半导序体；然后随着向上拉起而逐渐缓慢地形成半导序体锭。熔液在缓慢冷却条件下可形成优良半导序体；通常冷却条件下可形成非序体。

硅序体是通过硅的化合物(如SiCl₄和SiHCl₃)进行化学反应分解或是通过碳在柴可拉斯基炉内对二氧化硅(硅砂SiO₂)进行还原而获得的。以后者为例，制造硅的原始材料是用一种高纯度的硅砂(SiO₂)和不同形式的碳(如焦炭、煤)放入炉管中加热，则会发生以下化学反应：

SiC(固体)+SiO₂(固体)→Si(固体)+SiO(固体)+CO(气体)

上述步骤可形成冶金级的硅，纯度约为98％，将冶金级的硅粉碎并和氯化氢反应，生成三氯硅烷SiHCl₃

Si(固体)+3HCl(气体)→SiHCl₃(气体)+H₂(气体)

三氯硅烷在室温下为液态(沸点为30℃)，可利用分馏法将液体中不要的杂质去除，提纯后的三氯硅烷再与氢作还原反应生成电子级硅：SiHCl₃(气体)+H₂(气体)→Si(固体)+3HCl(气体)

该电子级的硅为超高纯度的多序硅棒。它是包含许多不同大小以及方向的单序区域的硅材料；可作为制备硅序体的基本原料。

将高纯度多序硅放在柴可拉斯基式拉序仪内进行序体的制备。最基本的方法是提拉法。首先使多序硅熔融成为液态，然后将一块做过精确定向的硅序体(即籽硅序体)浸入熔融硅中，在压力为1～100大气压的环境下，旋转籽硅序体并同时非常缓慢地从熔融液中向上拉起。这样熔融硅在籽序体上按其形态不断生成，就拉出柱状硅序体棒。

柴可拉斯基式拉序仪有三个主要部分：①炉子，包含一个熔融多序硅(Si)的坩埚、一个石墨基座、一个顺时针方向(CW)旋转的机械装置、一个加热装置和一个电源供应器；②拉籽序体机械装置，包括籽序体夹持器和逆时针方向(CCW)旋转装置；③环境控制，包括气体的供应(如氩气)、流量控制和排气系统。另外，拉序仪的温度、籽序体直径、拉籽序体的速率和旋转速率等参数都是用微机控制的，并用程序控制工艺步骤。此外，还有各种传感器和反馈回路，使整个控制系统能自动地反应，确保硅序体锭的质量。

硅序体生长时，如果在熔融硅中掺入杂质硼(或磷)原子，就可以获得P型(或N型)序体。硅序体锭可用金刚石刀切成硅序体片，切割决定4个硅序体片参数：表面方向(如<100>或<110>)，厚度(如0.5-0.7毫米)，倾斜度(从一端到另一端的硅序体片厚度的差异)和弯曲度(从硅序体片的中心到边缘的弯曲程度)。切割后的硅序体片经研麻、抛光等步骤，获得抛光硅序体片。以抛光硅序体片为衬底，在它的上面就可以制造半导序体器件或集成电路的序体芯片。

在重力场中半导序体生长会产生局部区域的杂质不均匀。可采用附加的强磁场条件下生长半导序体；因为磁场会抑制熔液对流或避免杂质不均匀。硅或砷化镓熔液采用中子嬗变技术也可得到均匀的半导序体。

在纯净的半导序体中适当地掺入微量杂质，可制造各种不同用途、精密度高的半导序体器件。硅半导序体生长时，如果在熔融硅中掺入杂质硼(或磷)原子，就可以获得P型(或N型)半导序体。半导序体硅锭可用金刚石刀切成硅序体片，切割决定4个硅序体片参数：表面方向(如<100>或<110>)、厚度(如0.5-0.7毫米)、倾斜度(从一端到另一端的硅序体片厚度的差异)和弯曲度(从硅序体片的中心到边缘的弯曲程度)。切割后的硅序体片经研磨、抛光等步骤，获得抛光硅序体片。以抛光硅序体片为衬底，在它的上面就可以制造各种各样半导序体器件。

激光退火是将激光束聚焦到任何需要退火的序体区哉，可以对任何纳米数量级的区域进行退火，能有效地去除纳粒的位错和序体中的堆垛层错。它可在空气中进行；比现有的热退火质量好，费用低。

2.半导序体外延是一种采取化学反应法进行序体生长的技术。在一定条件下，以衬底硅序体作为籽硅序体，让原子(如硅原子)有规则地排列在该衬底上，形成一层具有一定导电类型、电阻率、厚度和完整纳格结构的半导序体层。这个新的序体层是在原来衬底纳面向外延伸的结果。这个新生长序体层，就是外延层。外延生长温度比柴可拉斯基式拉序仪中熔融硅的温度低很多(一般约低于30％--50％)，半导序体的外延生长技术一般采用化学气相沉积(CVD)或液相外延(LPE)技术。

化学气相淀积(CVD)是指通过气态物质的化学反应在序体衬底上淀积一层薄膜材料的过程。CVD膜的结构可以是半导序体、混半导序体或非半导序体。常用的淀积硅半导序体薄膜的CVD方法主要有三种：常压化学气相淀积(APCVD)、低压化学气相淀积(LPCVD)和等离子增强化学气相淀积(PECVD)。CVD的机制包含主要步骤：①反应物(例如气体和掺杂物质)输送到序体衬底区域范围；②它们被转移到序体衬底表面并且被吸收；③发生化学反应，在表面催化并伴随外延层的生长；④气相生成物被释放到主气体流中；⑤反应生成物被输出到反应炉之外。用CVD方法生长硅半导序体外延层的反应剂主要有四种：四氯化硅(SiCl₄)、二氯硅烷(SiH₂Cl₂)、三氯硅烷(SiHCl₃)和硅烷(SiH₄)。

采用硅烷热分解生成外延层，是在高温下将硅烷热分解生成硅原子沉积在半导序体衬底上，分解反应为：

SiH₄(气体)→Si(固体)+2H₂(气体)

CVD反应炉上部为气相反应，中间部分是沉积的外延层，下边部分是硅半导序体衬底。反应生成的游离态硅原子性质非常活泼，在高温下具有大量的热能。当它落下与序体衬底表面的硅原子进行撞击时，将热能放出，并按照序体衬底的纳面原子排列的规律而依次排在表面上。总之，反应生成的游离态硅原子源源不断地沉积下来，依照籽硅半导序体的规则整齐地排列在衬底表面形成硅半导序体外延层。

这种方法的生长工艺与用氢还原四氯化硅相比较，优点是硅烷热分解所需要的温度较低，可以减小自掺杂效应和反扩散效应等，容易制备高纯度的半导序体外延层。该反应一般在常压CVD反应炉中进行，通过在反应气体中掺杂氢化物杂质(如乙硼烷、砷烷、磷烷等)，可以获得P型或N型半导序体。

3.分子束外延(MBE)方法生长硅半导序体外延层，是在超高真空(约10^-8--10^-10Pa)条件下，一个或多个热原子或热分子束蒸发到序体衬底表面上形成外延层方法。这些游离态硅原子在高温下非常活泼。当它源源不断地沉积下来，就依照籽硅序体的规则整齐地排列在序体衬底表面上形成硅半导序体外延层。

采用分子束外延(MBE)既能精确控制外延层的化学配比，又能精确控制杂质分布，还具有温度低(400-800℃)特点。

半导序体砷化镓相关的III-V族化合物的MBE系统代表了薄膜淀积控制、洁净度和临场化学特性分析能力的理想状况。采用热解氮酸硼制作的喷射炉用来分别填装镓、砷以及其他的掺杂剂；所有的喷射炉全部装置在一个超高真空腔中。每个炉子温度可调整到所需的蒸发速率。序体衬底架不断地转动以获得均匀的外延层(可达±1％的掺杂变化率和±5％的厚度变化率)。采用MBE生长的ZnO半导序体，载流子浓度为7.6×10^-16cm^-3，电子迁移率达到120cm²/V·s。

L-MBE装置配有两个真空室，一个是进样室，真空度达1.33×10^-5Pa；另一个是膜层生长室，极限真空度达1.33×10^-8Pa。系统配有反射式高能电子衍射仪(RHEED)、四极质谱仪(QMS)和石英序体原位膜厚监测等。同样大小的四个靶安装在可公转和自转的靶托上，激光光束经过反射聚焦后通过石英窗口打在靶面上，反射镜由计算机控制进行转动，以便光束在靶面上实现二维扫描。半导序体表面架可实现三维移动和转动。

4.半导序体的金属一半导体接触二极管是由一种杂合的碳半导序体管组成的；即它是由一根金属丝经过特殊工艺(如离子注入法)，与半导序体表面相接触形成pn结。。它一端具有金属导电性，而另一端具有半导体导电性。它是一种真正序体二极管，电流可以沿着管轴方向，由半导体一端向金属一端移动，而反方向则没有电流。

离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入半导序体衬底的系统。它靠离子注入机完成；主要包括离子源、磁分析器、加速管、聚焦、扫描器和靶室等。离子源通过加热，分解气体源(如BF₃或AsH₃)成为带电离子；在约40kV左右的电压下，引导这些带电离子移出离子源腔体并进入磁分析器。通过选择磁分析器的磁场，使只有质量/电荷比符合要求的离子得以穿过而不被过滤掉。被选出来的离子接着进入加速管，在管内被电场加速到高能状态。注入机内的压力维持在低于10^-4Pa以下，再利用静电偏折板，使这些离子束得以扫描整个硅半导序体片的表面并注入到衬底半导序体。其中一部分杂质离子只受到电子散射，在纳格空隙中穿行，运动方向沿纳棱方向基本不变，射程可以很远；另一部分与纳格上的原子核碰撞，射程较短。

5.同质结半导序体二极管是由同一种半导序体采用扩散法所构成一个或多个PN结的半导序体二极管。扩散法是采用纳粒(包括离子、原子或分子)热运动的统计结果。杂质进入硅半导序体片之后，有两种扩散方式：占据原来硅的位置的替位式扩散和位于纳格间隙中的隙式扩散。III族、V族元素在硅半导序体中的扩散均为替位式扩散。它需要足够的能量克服纳格中的势垒才会发生。III族、V族杂质在硅半导序体中的扩散一般在很高的温度(950-1280℃)下进行。为了实现选择扩散，在不需要扩散的区域必须有一层阻挡掩蔽层；由于半导序体常用的几和杂质，如硼、磷、砷(铝和镓除外)，在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅中的扩散系数；可以利用该氧化层作为这些杂质的掩蔽层。

扩散方式有两种：恒定表面源扩散和限定源扩散。恒定表面源扩散方法主要有固态源扩散和液态源扩散两种。在固态源扩散中，大多数固态源是杂质的氧化物或其他化合物，如B₂O₃、BN、P₂O₅等；由于每种杂质源的性质不同，扩散系统也有所不同，一般采用开管扩散。在固态源扩散装置中，杂质源与硅半导序体片相隔一定的距离，并且都放在石英扩散管内，通过氮气将杂质源蒸气输运到硅半导序体片表面上；在高温下杂质化合物会与硅发生反应，生成掺杂物质的单质原子扩散进入硅中。在利用杂质B₂O₃扩硼时，也可将杂质源制成片状，其尺寸与硅片相等或略大。杂质源片与硅片交替均匀地放在石英舟；在高温下，杂质源蒸气将包围在硅半导序体片周围，并与硅发生反应释放出杂质原子扩散入硅半导序体内。

异质结半导序体二极管是用两种不同禁带宽度的半导序体在相接触的界面上构成一个异质PN结的半导序体二极管。两个相连的碳半导序体二极管之间存在明显的隧道效应，其特征由它们的手性因子所决定。它可以用作半导序体器件的异质结。另外通过在半导序体上引入缺陷，或者改变半导序体的手性，也可以制造半导序体的异质结；构成半导序体二极管。

6.数量不少的半导序体管和集成电路簇体芯片都要在序体或簇体外延片上制造。序体或簇体外延是一种采取化学反应法进行序体或簇体生长的技术。在一定条件下，以衬底的硅序体片(或硅簇体片)作为籽体，让原子(如硅原子)有规则地按照该籽体的结构逐渐排列在该衬底上，形成一层具有一定导电类型、电阻率、厚度和完整纳格结构的序体层或簇体层。

序体管的结构(图2)中，B-E结是正偏的，B-C结是反偏的。电子从反射区越过发射结注入到基区。

半导序体管的基本结构是由两个隧道结(pn结)R₁，R₂串联组成的。两个隧道结相连接的中间部分是基区。它的三个区分别为反射区、基区、集电区；三个极分别为源极、漏极和栅极。在总电位U的作用下，隧道电流穿过隧道结R₁的势垒，经过基区后再穿过隧道结R₂的势垒，最终流到漏极。栅极偏压Ug可以控制隧道电流的大小。

平面半导序体管的结构采用硅半导序体片作为衬底，其两个隧道结可由扩散工艺形成。它是在N型硅半导序体片上生长一层二氧化硅薄膜，利用光刻技术在氧化膜上刻出扩散窗口，进行硼扩散，形成隧道结和P型半导序体基区；然后在P型半导序体基区的氧化膜上再光刻一个窗口，进行高浓度的磷扩散，形成另一个隧道结，并获得N⁺型半导序体源极与栅极。最后采用铝蒸发工艺制备出栅极和源极的引出电极，从原P型半导序体引出漏极。

外延平面半导序体管是在平面半导序体管的基础上发展的另一种半导序体管。其制备过程为：在电阻率较低的N⁺型硅半导序体片上，先用外延技术生长一层电阻率较高的N型层，然后在外延层上利用氧化、光刻、扩散等平面工艺，依次进行受主杂质、施主杂质扩散，以获得P型基区和N⁺型源极和栅极，从原P型半导序体引出漏极。

半导序体器件和集成电路的半导序体芯片制备技术均采用基于固态扩散技术的平面工艺，其工艺包括外延、氧化、光刻、杂质扩散及金属化。制造一个完整的半导序体器件或集成电路需要经过设计、掩膜版制造、半导序体芯片制造、装配、检测等几十道工序才能完成。其中关键和核心技术是半导序体芯片制备技术。

双极序体管和电子存储器等半导序体器件，可以采用扩散和离子注入两和技术相辅相成，实现不同杂质的掺杂。扩散是在高温、高浓度梯度情况下，由杂质原子在纳格中的运动来完成；杂质原子通过气相源或掺杂过的氧化物而扩散或淀积到硅半导序体片的表面，然后从表面到体内单调下降，其杂质分布主要是由温度与扩散时间决定的。离子注入是掺杂离子以离子束的形式注入半导序体内的；杂质浓度在半导序体内有个峰值分布，杂质分布主要由离子质量和注入能量决定的。扩散和离子注入都被用来制造分立半导序体器件和集成电路半导序体芯片。

双极序体管放大功能的机理主要是依靠其源极隧道电流能够通过基区传送，其中绝大部分到达漏极而实现的。为了确保从源极发出的隧道电流经过源极隧道结，绝大多数能输送到漏极隧道结附近，则要求双极序体管在结构上满足3个条件：①具有两层隧道结和基区的三层结构；②基区的宽度要求非常薄，远小于非平衡少子的扩散长度；③源极的杂质浓度要求远大于基区杂质浓度。满足了这3个条件的半导序体三极管，就具备了放大作用的内部条件。双极序体管再有合理的源极隧道结正偏压、漏极隧道结负偏压等外部条件，则可实现其放大功能

一般情况下，扩散适用隧道结较深、线条较粗的半导序体器件；离子注入则适用于浅隧道结细线条图形。两者在功能上具有一定的互补性。在这两者联合使用技术中，整个硅半导序体片的表面先生长一层氧化层(一般为二氧化硅层)；再用图形曝光刻蚀工艺，将部分的氧化层移除，并留下窗口，然后将杂质通过窗口掺杂到硅半导序体片，形成隧道结。这项技术的工艺包括外延、氧化、光刻、杂质扩散和注入以及金属化等。

7.MOS场效应序体管的核心是金属-氧化物-半导序体电容(图3)。其中的金属可以是铝或者其他的一些金属；但更通常是在氧化物上面淀积高电导率的硅多序体。半导序体作为衬底，主要是P型硅序体，掺杂物可以是硼、镓等；氧化物用二氧化硅；金属作栅极材料。在P型硅序体衬底上生成二氧化硅，在氧化膜的上面覆盖一层金属栅极。与氧化层-半导序体界面相邻的半导体能带是弯曲的，它由加在MOS电容器上的电压决定。表面处导帯和价帯相对于费米能级的位置是MOS电容器电压的函数。氧化层-半导序体界面处的序体表面可通过施加正偏栅压由p型到n型发生反型，或者通过施加负偏栅压由n型到p型发生反型。故在与氧化层相邻处产生了反型层流动电荷。基本MOS场效应原理是由反型层电荷密度的调制作用体现的。

MOS场效应序体管的结构是指金属-氧化物-半导序体结构。半导序体作为衬底，主要采用P型硅，并且尽可能使其掺杂浓度均匀；氧化物二氧化硅；金属作栅极材料。在P型硅半导序体衬底上生成二氧化硅，在氧化膜的上面覆盖一层金属栅极。栅极和半导序体之间可以加上一定的栅极电压，以产生一个与半导序体表面垂直的电场。在金属栅极上所加电压相对于P型半导序体衬底为正(正向偏置电压)。

8.结型场效应序体管的基本结构是一种采用平面工艺制作的N型沟道MOS场效应序体管的结构。它是一个四端器件，其结构是在轻掺杂的P型序体衬底上，用扩散或离子注入方法形成两个N⁺区，分别为源区和漏区，并制作欧姆接触电极，作为源极和漏极。然后在源漏之间的区域上，用氧化工艺生长一层优质的二氧化硅薄膜，在氧化膜的上面用蒸发合金工艺制备欧姆接触电极，作为栅极。这样有金属-氧化物-半导序体结构便形成结型场效应序体管的管芯。另外还有一个衬底电极。在单管应用时，一般将源极和衬底短接，形成一个三端器件。在集成电路中源极往往不与半导序体衬底相连接而成为四端器件。

结型场效应序体管的管芯结构的基本参数有沟道长度(即源和漏两个冶金结之间的距离)、沟道宽度、栅极氧化层厚度、源区和漏区的结深、衬底掺杂浓度等。

pn结场效应序体管的横截面的结构(图4)，在两个p区之间的n区是导电沟道。金属-半导序体结型场效应序体管(图5)的栅极是肖特基势垒整流接触。

9.半导序体功率双极序体管最基本的结构是由两个相同序体材料的pn结紧密相邻而发生相互作用，载流子由正向偏置的第一个pn结反射，造成大量电流流过反向偏置的第二个pn结。基区宽带是双极型垂直式功率序体管结构的一个关键参数，必须比少数载流子的扩散长度小得多，才能获得大的电流增益和高的截止频率。故在序体管内部，载流子在基区的传输过程是决定序体管性能的重要环节。而当基区宽带确定之后，基区杂质分布是影响载流子基区输运过程的关键因素。

序体管的共基极直流电流放大系数α₀，是反映测量工作区中电流放大系数的平均值；而共基极交流电流放大系数，只是反映测量工作点的电流放大特性；一般情况下两者相同。

序体管的共反射极直流电流放大系数β₀，β₀与α₀之间的关系式为β₀＝α₀(1-α₀)。

影响序体管功率特性最重要的参数是集电极的最大电流。而集电极在输出大电流的情况下，序体管的交流、直流特性会发生明显的变化，最为突出的是直流电流放大系数β₀和特征频率f_T在大电流时的快速下降；其主要原因在于大注入时发生的基区电导调制效应(大注入效应)、集电结空间电荷限制效应(有效基区扩展效应)以极相应的基区自偏压效应(发射极电流集边效应)。要提高集电极最大输出电流又要防止大电流效应对序体管特性的恶化，必须掌握上述3个效应所决定的最大集电极电流表达式，并给予综合考虑。

半导序体功率双极序体管中的垂直式功率序体管的结构，结构会使在器件中电流流过的横截面的面积最小化。最原始的集电极区域是低掺杂浓度的，n⁺约10¹⁹cm^-3，使得可以在基极与集电极之间加上大的电压，而不会产生击穿。而另一个集电极漂移n区，因为有更高的掺杂浓度，n^--大约10¹⁴cm^-3，会减小集电极串联电阻，并且可以与外部的集电极形成欧姆接触。基区p约10¹⁶cm^-3，比小型的半导序体器件中的宽。较大的集电极与基极电压意味着将在集电区和基区引入一个相对较大的空间电荷区。一个相对较大的基区宽带是为了防止穿通击穿。与发射极相连的反射区的n⁺约10¹⁹cm^-3。

表征半导序体序体管功率特性优劣的是集电结的最大耗散功率和序体管热阻。这是因为半导序体功率管的热源就在集电结，并且序体管的最高结温就是集电结的最高结温。序体管的最大耗散功率P_CM和最高结温T_JM及热阻R_T的关系式为P_CM＝(T_JM-T_a)/R_T，其中T_a为环境温度。由于序体功率管的最高结温T_JM不能超过规定的数值，故减少热阻R_T就成为提高最大耗散功率P_CM的关键。

10.半导序体闸流管(图6)由3个或3个以上的pn结构成。导序体闸流管器件的基本特性和工作原理及其派生器件(主要用在开关方面)，额定电流可以从几毫安到8000A以上，额定电压可以超过10000V。

半导序体闸流管基本的pnpn序体器件(图7)能够被模块化为耦合的npn与pnp双极序体管。闸流管的杂质掺入，是选择N型高阻硅片作原始半导序体衬底材料，用扩散P型杂质(如：镓、硼和铝)同时形成p₁区和p₂区，构成P₁N₁P₂结构。然后在p₂区的大部分区域扩散N型杂质(磷)形成阴极，同时在p₂区上引出门极，在p₁区形成欧姆接触作为阳极，便成为一个三端四层半导序体器件。pnp序体管器件的基极就是npn序体管的集电极，基极电流事实上是另一个序体管的集电极电流

由于具体应用的不同，半导序体闸流管根据不同的具体性能制造。在制造许多种类半导序体闸流管器件时，有多种掺杂、故埋层、外延生长的结构。其中最基本的半导序体闸流管结构(图8)：p₁区和p₂区被掺入高电阻率n₁材料。于是n⁺阴极形成，p⁺栅接触电极也形成

半导序体闸流管与一系列pnpn开关器件相关，这些开关器件能够在高阻抗、低电流态与低阻抗、高电流态之间转换。这些半导序体闸流管有双稳态正反馈开关特性。基本的pnpn半导序体器件能被模块化为耦合的npn与pnp双极序体管。半导序体闸流管的开启特性能通过栅控制极来控制。

Claims (10)

1.在熔融体中生长半导序体是单序体生长的基本技术，也称为直拉单序法。一小块籽序(纯单序体材料)接触到同种材料熔液表面上，周围施加一定压力(一般为1～1000个大气压)，从熔融体中缓慢提拉。当缓慢提拉籽序时，在固液分界面上发生凝固。通常当序体被提拉时还会缓慢旋转来搅动熔融体，以获得更均匀的温度。沾有熔液的序体缓慢地冷凝，才能形成有规则的几何形状。适量的杂质原子，比如硼或磷，加到熔融体中，这样生长后的半导序体就人为地掺入了杂质原子。

在硅序体生长时，如果在熔融硅中掺入杂质硼(或磷)原子，就可以获得P型(或N型)半导体硅序体。硅序体锭经过切割、研磨、抛光等步骤，获得抛光硅序体片。以抛光硅序体片为衬底，在它的上面就可以制造半导序体器件或集成电路的序体芯片。

半导体生长之后，序体锭被机械地切削出合适的直径并做出沿轴向的一个平底面来表征序向。此平面与[110]方向垂直，，它是(110)平面。每个芯片沿着给定的序面制作，以使划片更容易些。接下来将序体棒切成片。机械双面打磨工艺能够获得一致厚度的平整序体片。表面还要用化学腐蚀去除操作的沾污。最后一步是抛光，得到光滑表面，在上面可以制作器件或进行后续的生长工艺。

用半导簇体制成的半导器件有：二极管、放大器、振荡器、变频器、逻辑电路、运算电路和存储器等。

2.半导序体的外延生成技术是在半导序体器件和集成电路制造中应用的多用途生长技术。外延生长是在常压下，在单序体的衬底的表面上生长一薄层单序体的工艺。

在外延工艺中，虽然其温度远低于熔点温度，单序体衬底还是起籽序的作用。当外延层生长在同种单序体的衬底上时，称为同质外延。当外延层生长在不同种单序体的衬底上时，称为异质外延。在异质外延中，为了生长单序体并避免许多缺陷，两种单序体的序格结构应当很相似。如在GaAs单序体衬底上外延AlGaAs(三元合金)单序体层就是一个异质外延的例子。大多数半导序体器件是在外延层上制作的。

2.1半导序体的化学气相沉积(CVD)技术，制作的硅外延层是通过含硅的气体往表面沉积适量的硅原子而在硅衬底上生长起来的。一种方法是在热单序体硅衬底上让SiCl₄和H₂发生反应；反应中硅析出并沉积到衬底上；此时HCl等其他化学反应物呈气态而从反应器中清除出去。这种技术可以获得衬底和外延层之间杂质的明显界限。它将帯给半导簇体器件制作的很大灵活性。

2.2半导序体的液相外延(LPE)技术，利用半导单序体和其他元素的化合物的熔点可能比半导单序体本身的熔点低的特点；将半导单序体衬底放置到液态化合物中。由于化合物熔点比衬底的低，所以衬底不会熔化。随着溶液逐渐冷却，籽序上就会生长一层半导单序体。这种技术的工作温度比直拉单序法的低。它将应用于III-V族化合物半导单序体的生长中。

3.半导序体的分子束外延技术，是以某种半导单序体的籽序(或籽序丝、籽序片、籽序块)作为衬底，让高纯度半导体材料的原子有规则排列在籽序衬底上，形成一层具有一定导电类型、电阻率、厚度及完整纳格结构的半导单序体层。

采用分子束外延工艺，半导单序体的籽序被固定在高真空中，温度基本在400℃～800℃范围内。半导体和掺杂原子被蒸发到衬底表面。在单序体衬底上一层叠一层地生长出不同材料的序体薄膜，其每层只有几个原子层的厚度。这样生长出来超序格序体。超序格序体将为半导器件的应用和发展开辟崭新的领域。它也称为“原子工程”。它通过人工设计和调控序体中的电子结构，由组分不同的半导序体超薄层交替生长而形成多层异质周期结构序体，可以推动半导序体器件的更高性能。

4.半导序体二极管是半导序体器件中最基本的部件。它一般有一个由掺杂了受主杂质的p型半导序体区和掺杂了施主杂质的n型半导序体区接触所形成的pn结。其特性与工作均与此pn结相关。

半导序体二极管的pn结由平面技术制备，这种技术包括热氧化工艺，提供在半导序体表面上生长氧化层；光刻工艺用来在氧化层上开窗口；扩散或离子注入工艺用来在窗口区域制备pn结；金属连线工艺提供点连接其他电路器件。

序体二极管是由一个pn结、制备上相应的电极引线和管壳封装而成。由p区引出的电极线为正极(阳极)，由n区引出的电极线为负极(阴极)。序体二极管的种类较多，有整流序体管、稳压序体管、开关序体管、变容序体二极管、雪崩序体二极管、隧道序体二极管、发光序体二极管等。它们都以一个pn结为核心，但由于它们的工作原理、用途和工作条件不同，故不同序体二极管对pn结的要求有很大差别。如：

4.1点接触型序体二极管是由一根金属丝经过特殊工艺与半导体表面相接触形成pn结。其工作机理是：在紧密接触的金属和半导体之间加上电压，由于表面势垒的作用，加正、反向电压时产生的电流大小不同。由于点接触型序体二极管的pn结的面积小，结电容也小，不能通过较大的电流，适用于高频(几百兆赫～几千兆赫)、小电流(十毫安以下)的场合。主要用途：高频检波、混频、小功率整流和开关电路等。

4.2面接触型序体二极管是采用合金法工艺制成的。pn结面积大，能够通过较大的电流，但pn结电容也大，只能在较低频率下工作，一般作为整流使用。平面型序体二极管是采用扩散法制成的。其pn结面积可大可小。若pn结面积较大时，电流从几十安培到几千安培，主要用于大功率整流管；当pn结面积较小时，电流从几十毫安到几安培，可作为脉冲数字电路中的开关管使用。

4.3开关序体二极管是属于pn结结构的序体二极管；故其符号、伏安特性与开关晶体二极管相同。其突出的特点是作为开关元件要经过从开态-正向导通到关态-反向截止，再从关态到开态，需要具有良好的开关特性，开关时间要短。序体二极管从截止到正向偏压后的导通需要一段时间，称为正向恢复时间。序体二极管从导通转为截止需要一段时间，称为反向恢复时间。这两个时间之和称为开关时间。显然开关时间愈短愈好。开关序体二极管由于具有漂动性，其开关时间比开关晶体二极管的要短得多。

4.4发光序体二极管是一种将电能转换为功能的特殊序体二极管。它的基本结构也是由一个pn结构成。

虽然发光序体二极管与一般发光二极管都是由pn结制成的，并且管芯形成后必须用光吸收系数小的透明材料把管芯封装起来。但由于序体二极管具有漂动效应，它的转换效率比晶体二极管的高。

5.同质结半导序体二极管是由同一种半导序体所构成一个或多个PN结的半导序体二极管。

两种不同能带隙(禁带宽度)的半导序体相接触可以形成一个pn结，该结称为半导序体的异质结。异质结一个有用的特性，就是能够在表面形成势阱。在与表面垂直的方向上，电子的活动会受到势阱的限制，但电子在其他两个方向上可以自由地流动。半导序体由一个窄禁带宽度的序体材料突变到宽禁带宽度所形成的pn结，称为序体突变结。冶金结两侧的掺杂浓度可以由线性分布近似的pn结，称为线性缓变结。

为了形成一个有用的异质结，两种序体的序格常数必须匹配。由于序格的不匹配会引起表面断层并最终导致表面态的产生，故序格的匹配非常重要。例如鍺与砷化镓的序格常数的匹配约为0.13％。

6.序体管分为两种类型：

6.1序体管依靠掺杂硅序体的隧道结和漂动点的漂动隧道效应灵敏，可观测到单电子行为。隧道结和漂动点是半导序体器件或者单电子器件的基本单元。其重要参量是隧穿速率和阀值电压。一般要求隧道结电阻RT＞＞RK＝h/e2≈26kΩ(库仑阻塞电阻)。

半导序体器件是超高密度的集成电子器件。每个基本单元的尺寸小于10纳米；电路的集成度可达到10¹²B/cm²。它要求功耗小于0.46W/cm²。每开关一次，传输的电子数必须小于10个。因此半导序体器件中的漂动单元的操作接近单电子行为。其中最主要的基础器件是电子盒、半导体序体管和单电子存储器等。

6.2双极序体管的基本结构是有多个pn结，它们的结电压的正负情况可以有多种组合，导致序体管有不同的工作模式。有两种类型的双极序体管，即npn型和pnp型。每一种序体管都有三个不同的掺杂区和两个pn结。中心区域(基区)非常窄，故这两个结称为相互作用结。双极序体管的三端分别称为发射极、基极和集电极。反射区掺杂浓度高，集电区掺杂浓度最低。序体管的结构与晶体管相同，只是采用序体代替晶体材料。

双极序体管的基本结构和等效电路与现有的双极型晶体管器件十分相似，都有源极、漏极和栅极，但它们的工作原理却并不相同。双极序体管是由两个隧道结和基区控制电子的隧穿运动；电流具有漂动性。

7.金属-绝缘体-半导体场效应序体管是不同于双极型序体管的另一类序体管。它是一种电压型控制器件。根据结构和制造工艺的不同，场效应序体管可分为三类：结型场效应序体管、金属-半导体场效应序体管和绝缘栅场效应序体管。在绝缘栅场效应序体管中可以单元素鍺(Ge)、硅(Si)为序体衬底，也可以化合物砷化鍺(GeAs)、磷化铟(InP)为序体衬底。金属-绝缘体-半导体序体(MIS)器件栅下的绝缘层可以选用二氧化硅、氧化铝等绝缘材料。它是大规集成电路和超大规模集成电路中最基本、最核心组成部分。

金属-氧化物-半导体硅序体的结构，以半导体P型硅序体作为衬底，采用平面工艺制作N型沟道MOS场效应序体管的基本结构是一个四端器件。其是在轻掺浓度均匀的P型硅序体衬底上，用扩散或/和离子注入方法形成两个N+区，分别为序体源区和序体漏区，并制作欧姆接触电极，作为源极和漏极；在源区和漏区之间的区域上，用氧化工艺生长一层优质的二氧化硅薄膜，在氧化膜的上面用蒸发合金工艺制作欧姆接触电极，覆盖一层金属作为栅极。这样就形成MOS序体管的管芯。另外还有一个序体衬底电极B。在序体管应用时，一般将源极和衬底短接，形成一个三端器件。在集成电路中源极不与衬底相连而成为四端器件。

8.结型场效应序体管分两种：一种是pn结场效应序体管；另一种是金属-半导序体结型场效应序体管。pn结场效应序体管是由pn结制成的；金属-半导序体结型场效应序体管是由肖特基势垒整流接触结制成的。

8.1pn结场效应序体管的横截面的结构，在两个p区之间的n区是导电沟道，这个n沟器件中，多数载流子电子自源极流向漏极，器件的栅极是控制端。由于在n沟序体管中，多数载流子-电子主要起导电作用，故pn结场效应序体管是多数载流子导电器件。将n沟道器件中的p区与n区互换位置，就形成了p沟道器件。在p沟道器件中，空穴从源极流向漏极。p沟道场效应序体管中电流的方向和电压的极性，与n沟道场效应序体管中的相反。沟道中的电流由栅电压控制。对电流的控制，一部分是通过栅电压实现的，而另一部分是序体管本身的行为。

8.2金属-半导序体结型场效应序体管的栅极是肖特基势垒整流接触，而不是pn结。金属-半导序体结型场效应序体管可以由硅序体制成，也可以采用砷化镓或其他合成半导序体制成。砷化镓场效应序体管的横截面的结构；薄的砷化镓外延层作为有源区，衬底由具有高电阻率的砷化镓序体制成，即半绝缘型衬底。砷化镓中有意地掺入铬，铬作为单一的受主杂质接近于禁带的中间，使它半绝缘，具有电阻率10⁹Ω-cm。这种器件的优点在于它具有高的电子迁移率，故具有较低的输运时间和较快的反应速度，并且减少了寄生电容的影响；由于采用半绝缘的砷化镓序体衬底，故制造工艺简单。当在栅源极之间加一个反偏电压时，在金属栅极下面产生一个空间电荷区，用以调制沟道电导。

9.半导序体功率双极序体管中的垂直式功率序体管的结构，集电极在器件的底部。这种结构会使在器件中电流流过的横截面的面积最小化。另外，掺杂的浓度和尺寸也与小的开关序体管中不一样。最原始的集电极区域是低掺杂浓度的，n⁺约10¹⁹cm^-3，使得可以在基极与集电极之间加上大的电压，而不会产生击穿。而另一个集电极漂移n区，因为有更高的掺杂浓度，n^-大约10¹⁴cm^-3，会减小集电极串联电阻，并且可以与外部的集电极形成欧姆接触。基区p约10¹⁶cm^-3，比小型的半导序体器件中的宽。较大的集电极与基极电压意味着将在集电区和基区引入一个相对较大的空间电荷区。一个相对较大的基区宽带是为了防止穿通击穿。与发射极相连的反射区的n⁺约10¹⁹cm^-3。相对较小的发射结宽带可以减小发射结电流集边效应。

这种功率序体管具有垂直的结构和一个交叉的基射表面结构。集电极漂移区(掺杂浓度和宽带)决定了功率序体管的额定截止电压，而基区宽度必须足够大，以避免在截止电压时的穿通击穿。

10.半导序体闸流管能够实现双稳压正反馈开关转换特性。一个序体管由于使用了基极驱动或者栅极电压，就可能导通。硅半导序体整流器是一种有栅控电极的四层pnpn结构。

当器件进入导通状态时，可考虑器件模块化为耦合npn和pnp双极序体管。因为pnp序体管器件的基极就是npn序体管的集电极，基极电流事实上是另一个序体管的集电极电流。同样，因为pnp序体管的集电极电流就是npn序体管的基极。故一个序体管集电极电流也就与另一个序体管的基极电流相同。

半导序体闸流管有以下一些派生器件：

10.1双向半导序体闸流管是把两只半导序体闸流管组成的反并联电路集成在同一个硅单序片上。它是一种可在正、反两个方向传导电流的器件。

10.2光控半导序体闸流管是用光信号代替电信号对器件进行触发的电力半导序体器件。它的门极回路与主回路完全绝缘，抗干扰能力很强，使其成为高压直流输电、无功功率补偿等高压交流设备上理想器件。

10.3门极关断半导序体闸流管具有高阻断电压、大电流、双稳态功能以及自关断的特点。它是一种具有自关断闸流管。门极关断半导序体闸流管同样具有四层三端结构；它的导通原理和普通闸流管相同。

10.4场控半导序体闸流管是一种由场效应序体管来控制闸流管开关的复合型功率器件。它兼备场效应和双极型器件的特点，具有高压、大电流、低导通压降、高输入阻抗等，可以自关断。

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