半導(dǎo)體材料的過去、現(xiàn)在和將來（１）

作者簡介王占國，中國科學(xué)院院士.歷任半導(dǎo)體所研究員，半導(dǎo)體材料室主任#65380;副所長，博士生導(dǎo)師.研究成果先后獲得國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)和國家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，中國科學(xué)院自然科學(xué)一等獎(jiǎng)和中科院科技進(jìn)步一#65380;二#65380;三等獎(jiǎng)，何梁何利科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)以及國家重點(diǎn)科技攻關(guān)獎(jiǎng)多項(xiàng).

什么是半導(dǎo)體材料

物質(zhì)存在的形式多種多樣，有固體#65380;液體#65380;氣體等.我們通常把導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性差或不好的材料，如金剛石#65380;人工晶體#65380;琥珀#65380;陶瓷等，稱為絕緣體;而把導(dǎo)電#65380;導(dǎo)熱都比較好的金屬，如金#65380;銀#65380;銅#65380;鐵#65380;錫#65380;鋁等稱為導(dǎo)體.可以簡單地把介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體.與導(dǎo)體和絕緣體相比，半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀(jì)30年代，當(dāng)材料的提純技術(shù)改進(jìn)以后，半導(dǎo)體的存在才真正被學(xué)術(shù)界認(rèn)可.

半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)

半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上可以追溯到很久以前.1833年，英國的巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀(Ag2S)的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬.一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低的.這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn).1839年，法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特征.在1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的，如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)電.這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性.1873年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一個(gè)特有的性質(zhì).半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)，雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用，而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成.很多人會(huì)疑問，為什么半導(dǎo)體被認(rèn)可需要這么多年呢?主要原因是當(dāng)時(shí)的材料不純.沒有好的材料，很多與材料相關(guān)的問題就難以說清楚.

半導(dǎo)體材料的早期應(yīng)用

半導(dǎo)體的第一個(gè)應(yīng)用就是利用它的整流效應(yīng)作為檢波器，即點(diǎn)接觸二極管(俗稱貓胡子檢波器，就是將一個(gè)金屬探針接觸在一塊半導(dǎo)體上以檢測(cè)電磁波).除了檢波器之外，在早期，半導(dǎo)體還用來做整流器#65380;光伏電池#65380;紅外探測(cè)器等，半導(dǎo)體的四個(gè)效應(yīng)都用到了.

從1907年到1927年，美國的物理學(xué)家研制成功晶體整流器#65380;硒整流器和氧化亞銅整流器.1931年，蘭治和伯格曼研制成功硒光伏電池.1932年，德國先后研制成功硫化鉛#65380;硒化鉛和碲化鉛等半導(dǎo)體紅外探測(cè)器，在二戰(zhàn)中用于偵探飛機(jī)和船艦.二戰(zhàn)時(shí)盟軍在半導(dǎo)體方面的研究也取得了很大成效，英國就利用紅外探測(cè)器多次偵探到了德國的飛機(jī).

晶體管的發(fā)明

晶體管實(shí)際上是在1947年的12月23日之前發(fā)明的，當(dāng)時(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員看出了晶體管的商業(yè)價(jià)值，為寫專利，保密了半年，到1947年12月23日，巴丁和布爾吞才正式公布了他們的發(fā)明，這也成為晶體管的正式發(fā)明日.他們用了一個(gè)非常簡單的裝置，就是在一塊鍺晶體上，用兩個(gè)非常細(xì)的金屬針尖扎在鍺的表面，在一個(gè)針上加正電壓，在另外一個(gè)針上加負(fù)電壓，我們現(xiàn)在分別稱之為發(fā)射極和集電極，N型鍺就變成了基極，這樣就形成了一個(gè)有放大作用的PNP晶體管.不久后的1948年的1月23日，肖克萊提出了一個(gè)不是點(diǎn)接觸而是面接觸式晶體管結(jié)構(gòu)，后來證明這種結(jié)構(gòu)才是真正有應(yīng)用價(jià)值的結(jié)構(gòu).

巴丁和布爾吞公布了他們的發(fā)明后，人們的反應(yīng)并不如期望的熱烈.在1952年的4月，為了推廣他們的這個(gè)發(fā)明，他們舉辦了公眾聽證會(huì)，邀請(qǐng)了美國眾多做真空管的公司參加，但這些公司對(duì)半導(dǎo)體晶體管的意義不以為然，不是非常感興趣.試想如果晶體管的發(fā)明得到了成功應(yīng)用，那么真空管就會(huì)慢慢地消失了.所以從這個(gè)角度看，他們的熱情不高也是可以理解的.但是科學(xué)界給予了這個(gè)發(fā)明很高的評(píng)價(jià)，1956年，巴丁#65380;布爾吞和肖克萊三人被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

今天看來，晶體管的發(fā)明不僅引起了電子工業(yè)的革命，而且徹底改變了我們的生產(chǎn)#65380;生活方式，通信#65380;家用電器(如音響設(shè)備#65380;電視#65380;空調(diào)#65380;電冰箱和洗衣機(jī)等)#65380;電腦#65380;航天和航空應(yīng)用等，幾乎沒有一樣不用晶體管.

責(zé)任編輯程哲