淺談半導體物理學發展

萬俊

摘 要：半導體物理學作為凝聚態物理學的一個分支，己經蓬勃發展了半個多世紀，并成為一個龐大的、發展最為迅速的前沿學科。以此理論為依據生產出的半導體器件在人們的生產、生活、科研、國防、微電子、計算機等領域發揮著不可替代的作用，這也激起人們對半導體物理的極大關注。隨著多種需要的發展，半導體物理還將繼續發展下去。因此，探討半導體物理的發展歷史、總結歷史經驗，對了解半導體物理的發展現狀和推動半導體物理研究的發展會有所幫助。

關鍵詞：半導體物理；能帶理論；金屬半導體接觸

自1948年發明晶體管到現在己經有半個多世紀了，晶體管的發明開創了半導體科學技術發展的新紀元。半導體科學技術的發展不僅有力地推動了現代科學技術的發展進程，而且從根本上改變了當代人類社會生活的面貌。半導體學科已發展成為一個龐大的學科，并成為當今科學前沿發展最為迅速的學科之一。隨著通訊微電子和計算機技術的發展和大量需要，半導體科學還將繼續發展下去，了解半導體物理的發展史，對了解半導體物理的發展現狀和推動半導體物理研究的發展會有所幫助，因此探討半導體物理的發展歷史并總結歷史經驗是有意義的。

一、半導體物理研究的早期工作

半導體的大部分基本特性是在二十世紀以前或二十世紀初觀測到的。這一時期，半導體物理的理論基礎—能帶理論還沒有建立，也沒有完整的理論體系來說明半導體的性質及實驗中的現象。但這一時期，已有很多對半導體性質及應用的研究，正是在這些工作的基礎上，半導體能帶理論建立以后，半導體物理才得以在很短的時間內發展成為一個完整的理論體系。

1. 半導體性質的研究

半導體的研究歷史己經延續了一個多世紀，許多早期的工作是在非常困難的情況下進行的。現在我們知道，為了獲得無可質疑的實驗結果，需要高純度的材料。早期的工作者們所能利用的材料純度都很低，同非常高的純度標準相距很遠。盡管如此，人們還是認識到，半導體是一種特殊的物質。在有關半導體各種性質的理論出現之前，人們早已注意到了它們的一些主要性質。

2. 半導體的應用研究

半導體的第一個重要應用是用來做低頻交流整流器。早在1886年C.E.Fritts就做出了硒整流器。直到很久以后這種硒整流器也沒在動力工程、電子工程或電子設備中得到任何應用。1927年，L.0.Grondhal和P.H.Geiger閉做出了氧化亞銅整流器，這種整流器隨即被廣泛應用開來，被用做電池光電器件和無線電裝置設備中的低功率整流器。整流器的發展促使人們對氧化亞銅和硒這兩種半導體材料作了很多研究。

二、半導體物理的發展

二十世紀末，三十年代初，人們將量子理論應用到晶體中去解釋其中的電子態，并進一步建立了固體的能帶理論。1931年英國物理學家威爾遜應用這一理論給出了區分導體、半導體和絕緣體的微觀判據，從而奠定了半導體物理的理論基礎。1948年發明的晶體管，又以其獨特的功能吸引了人們廣泛的注意，大大促進了半導體物理的研究。五十年代，半導體物理的研究蓬勃展開，對半導體的能帶結構、各種工藝引起的半導體能帶的變化、半導體載流子的平衡及輸運、半導體的光電特性等進行研究并作出理論解釋，從而發展成為一個完整的理論體系。其中，對PN結、金屬半導體接觸理論的研究就是在五十年代發展成熟的。六十年代，半導體物理的發展已達到成熟與推廣時期。1958年，安德森提出了局域態理論，開創了無序系統研究的新局面，為非晶態半導體物理的研究莫定了基礎。1970年，江崎等提出可以通過人工調制能帶的方法制備半導體超晶格，使人們得以對人工調制的周期性結構獨特的物理特性和二維電子氣進行研究。也正是在半導體超晶格的研究中，1980年馮.克利青發現了量子霍爾效應這一低維物理現象。半導體物理的發展經歷了從簡單到復雜、從三維到低維、從有序到無序的過程，已發展成為一個龐大的理論體系，并具有多個分支學科，象半導體表面物理、半導體超晶格物理、非晶態半導體物理等，現在仍處在科學研究的前沿地位。

三、中國半導體物理界的狀況

在我們國內，由于原來的科學基礎薄弱，解放前根本沒有半導體物理的研究，只是到了解放后才有少數人開始準備半導體的研究工作。1953年春，中國科學院赴蘇聯考察的代表團回來報告了蘇聯在半導體科學研究方面的巨大成就與進展情況，使我國物理工作者進一步認識到了半導體科學技術的重要性。原計劃于1955年1月召開全國性的半導體物理學討論會，陸學善、黃昆、王守武、洪朝生與湯定元等五位學者組成籌備委員會，以陸學善為召集人，進行籌備工作。會議由于一些原因被推遲到1956年l月30日在北京舉行。黨中央提出了向科學進軍的號召，使半導體事業倍受鼓舞，當時又有幾位半導體專家如高鼎三、成眾志等從國外問來，使會議增添了新內容。會議著重介紹了半導體在各方面的應用及物理原理，同時，也交換了有關今后半導體科學技術工作者的培養與半導體的研制機構等憊見。在當年制定的我國12年科學技術遠景規劃中，半導體技術被列為57項任務之一，半導體的科學研究與人才培養也被列入到1956年的緊急措施范圍之內。1956年黃昆領導組織了由北京大學、南京大學、吉林大學、復旦大學和廈門大學五校合辦的半導體物理專業。這是我國第一個培養半導體科技人才的專業，黃昆任主任，謝希德任副主任。1958年，謝希德又組建了復旦大學固體物理教研室，并籌建了上海技術物理研究所，兼任副所長.1956年籌集，1960年止式成立了中國科學院半導體所，這是集半導體物理、器件、材料及其應用研究于一體的綜合性研究所：1987年，中國科學院成立了表面物理國家重點實驗室：1988年半導體所在從事超晶格、最子阱和低維電子研究工作的同時創建了半導體旬超晶格國家重點實驗室。中國的半導體事業蓬勃發展起來。有不少工作己經跟上國際發展的步伐，取得了處于發展前沿的成果。

四、結語

晶體管等半導體器件的發明源于社會需求導向的牽引，是科學推力和需求拉力相結合的碩果。雖然新技術的產生直接來源于科學研究的探索，但科學研究項目的決策、組織都體現著潛在的需求。通過有效的組織能夠把科學推力和需求拉力結合在一起，即把科學研究可能帶來的新進展和技術本身的發展需求聯系在一起。這需要學術界和產業界廣泛而深入的合作，使科學研究的應用潛力能夠與社會經濟發展的重要領域相結合，這是科學技術得以快速發展的原動力。

參考文獻：

[1] 閻康年，貝爾實驗室[M]，保定：河北大學出版社，1999：147-188.

[2] 王占國，陳涌海，葉小玲，等，納米半導體技術[M].北京：化學工業出版社，2006：308-383.

[3] 謝樹森，雷仕湛，光子技術[M]北京：科學出版社，2004：723-731.