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[摘 要]半导体物理学作为凝聚态物理学一个重要分支,是现代微电子器件工艺学的理论核心.探讨半导体物理学发展规律,对于更好地掌握半导体科学技术的发展趋势有重要意义.
[关 键 词]半导体；晶体管；超晶格
中图分类号：O47
文献标识码：A
文章编号：1006-0278（2013）08-185-01
一、半导体物理的发展
(一)半导体物理早期发展阶段
20世纪30年代初,人们将量子理论运用到晶体中来解释其中的电子态.1928年布洛赫提出著名的布洛赫定理,同时发展完善固体的能带理论.1931年威尔逊运用能带理论给出区分导体、半导体与绝缘体的微观判据,由此奠定半导体物理理论基础.到了20世纪40年代,贝尔实验室开始积极进行半导体研究,且组织一批杰出的科学家工作在科学前沿.1947年12月,布拉顿和巴丁宣布点接触晶体管试制的成功.1948年6月,肖克利研制结接触晶体管.这三位科学家做出杰出贡献,使得他们共同获得1956年诺贝尔物理学奖.
晶体管的发明深刻改变人类技术发展的进程与面貌,也是社会工业化发展的必然结果.早在20世纪30年代,生产电子设备的企业希望有一种电子器件能有电子管的功能,但没有电子管里的灯丝,这因为加热灯丝不但消耗能量且要加热时间,这会延长工作启动过程.因此,贝尔实验室研究人员依据半导体整流和检波作用特点,考虑研究半导体能取代电子管的可能性,从而提出关于半导体三极管设想.直到1947,他们经反复实验研制了一种能够代替电子管的固体放大器件,它主要由半导体和两根金属丝进行点接触构成,称之为点接触晶体管.之后,贝尔实验室的结型晶体管与场效应晶体管研究工作成功.20世纪50年代,晶体管重要的应用价值使半导体物理研究蓬勃地展开.到了20世纪60年代,半导体物理发展达到成熟和推广时期,在此基础上迎来微处理器与集成电路的发明,这为信息时代到来铺平道路.1958年,安德森提出局域态理论,开创无序系统研究新局面,这也为非晶态半导体物理奠定基础.1967年,Grove等人对半导体表面物理研究已取得重要进展,并使得Si-MOS集成电路稳定性能得以提高.1969年,江崎与朱兆祥提出通过人工调制能带方式制备半导体超晶格.正是在半导体超晶格研究中,冯·克利青发现整数量子霍尔效应.在1982年,崔琦等发现了分数量子霍尔效应,这一系列物理现象的发现正揭开现代半导体物理发展序幕.
(二)半导体超晶格物理的发展
建立半导体超晶格物理是半导体的能带理论发展的必然.之后,人们对各种规则晶体材料性能有相当认识,从而开创以能带理论作为基础的半导体物理体系,也借助其来解释出现的一系列现象.1969年与1976年的分子束外延和金属有机物化学汽相沉积薄膜生长技术正为半导体科学带来一场革命.随微加工技术的逐步发展,加之超净工作条件的建立,实现了晶体的低速率生长,也使人们能创造高质量的异质结构,同时为新型半导体器件设计及应用奠定技术基础.1969年,江崎和朱兆祥第一次提出“超晶格”概念,这里“超”的意思是在天然的周期性外附加人工周期性.1971年,卓以和利用分子束外延技术生长出第一个超晶格材料.从此拉开了超晶格、量子点、量子线和量子阱等等低维半导体材料研究序幕.
二、半导体物理的启示
综上所述,文章简单地对半导体物理的一个发展历程进行了回顾,并可以从中得到以下几点启示：
(一)半导体物理的发展一直与科学实验与工业技术应用紧密联系
20世纪30年代之前,人们已经制成整流器、检波器、光电探测器等半导体器件,同时在实验中发属——半导体的接触材料上一些导电特性,可是无法理解这其中的物理机理.一直到能带理论建立后,基础建立起金属——半导体接触理论.随后,在实验过程中却发现该理论与实验测量是有出入的,又提出半导体表面态理论.正由于考虑到半导体表面态影响,贝尔实验室才能成功研制晶体管,这又促进半导体物理发展.不难发现,半导体物理的发展与实验是离不开的,因新的实验结论推动相应理论的建立,而理论发展又会反过来去指导实验的研究.19世纪30年代法拉第发现电磁感应定律,这为电力的广泛应用奠定理论基础,架起电能和机械能相互转化的桥梁,为第二次工业革命铺路.晶体管的成功研制,大规模与超大规模集成电路出现,导致第三次工业革命.这都是涉及信息技术、新材料技术、新能源技术、空间技术和生物技术等众多领域的一场信息技术革命.
半导体物理研究有利于促进半导体科学技术发展新工艺能创造新材料,新材料孕育新物理效应,都基于新效应能研制新型的器件,同时新型器件性能得以提高势必促进工艺技术的进步.例如,石墨烯的发明.而与石墨烯有关的新物理正被揭示出来,这类研究有助于推动凝聚态物理的理论发展,这也是对电子信息产业产生深远影响之一.