淺談半導(dǎo)體物理學(xué)發(fā)展

萬俊

摘 要：半導(dǎo)體物理學(xué)作為凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)分支，己經(jīng)蓬勃發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)，并成為一個(gè)龐大的、發(fā)展最為迅速的前沿學(xué)科。以此理論為依據(jù)生產(chǎn)出的半導(dǎo)體器件在人們的生產(chǎn)、生活、科研、國防、微電子、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，這也激起人們對(duì)半導(dǎo)體物理的極大關(guān)注。隨著多種需要的發(fā)展，半導(dǎo)體物理還將繼續(xù)發(fā)展下去。因此，探討半導(dǎo)體物理的發(fā)展歷史、總結(jié)歷史經(jīng)驗(yàn)，對(duì)了解半導(dǎo)體物理的發(fā)展現(xiàn)狀和推動(dòng)半導(dǎo)體物理研究的發(fā)展會(huì)有所幫助。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體物理；能帶理論；金屬半導(dǎo)體接觸

自1948年發(fā)明晶體管到現(xiàn)在己經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)了，晶體管的發(fā)明開創(chuàng)了半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)發(fā)展的新紀(jì)元。半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不僅有力地推動(dòng)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，而且從根本上改變了當(dāng)代人類社會(huì)生活的面貌。半導(dǎo)體學(xué)科已發(fā)展成為一個(gè)龐大的學(xué)科，并成為當(dāng)今科學(xué)前沿發(fā)展最為迅速的學(xué)科之一。隨著通訊微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和大量需要，半導(dǎo)體科學(xué)還將繼續(xù)發(fā)展下去，了解半導(dǎo)體物理的發(fā)展史，對(duì)了解半導(dǎo)體物理的發(fā)展現(xiàn)狀和推動(dòng)半導(dǎo)體物理研究的發(fā)展會(huì)有所幫助，因此探討半導(dǎo)體物理的發(fā)展歷史并總結(jié)歷史經(jīng)驗(yàn)是有意義的。

一、半導(dǎo)體物理研究的早期工作

半導(dǎo)體的大部分基本特性是在二十世紀(jì)以前或二十世紀(jì)初觀測到的。這一時(shí)期，半導(dǎo)體物理的理論基礎(chǔ)—能帶理論還沒有建立，也沒有完整的理論體系來說明半導(dǎo)體的性質(zhì)及實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象。但這一時(shí)期，已有很多對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)及應(yīng)用的研究，正是在這些工作的基礎(chǔ)上，半導(dǎo)體能帶理論建立以后，半導(dǎo)體物理才得以在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)展成為一個(gè)完整的理論體系。

1. 半導(dǎo)體性質(zhì)的研究

半導(dǎo)體的研究歷史己經(jīng)延續(xù)了一個(gè)多世紀(jì)，許多早期的工作是在非常困難的情況下進(jìn)行的。現(xiàn)在我們知道，為了獲得無可質(zhì)疑的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(biāo)準(zhǔn)相距很遠(yuǎn)。盡管如此，人們還是認(rèn)識(shí)到，半導(dǎo)體是一種特殊的物質(zhì)。在有關(guān)半導(dǎo)體各種性質(zhì)的理論出現(xiàn)之前，人們?cè)缫炎⒁獾搅怂鼈兊囊恍┲饕再|(zhì)。

2. 半導(dǎo)體的應(yīng)用研究

半導(dǎo)體的第一個(gè)重要應(yīng)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(dòng)力工程、電子工程或電子設(shè)備中得到任何應(yīng)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(yīng)用開來，被用做電池光電器件和無線電裝置設(shè)備中的低功率整流器。整流器的發(fā)展促使人們對(duì)氧化亞銅和硒這兩種半導(dǎo)體材料作了很多研究。

二、半導(dǎo)體物理的發(fā)展

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

三、中國半導(dǎo)體物理界的狀況

在我們國內(nèi)，由于原來的科學(xué)基礎(chǔ)薄弱，解放前根本沒有半導(dǎo)體物理的研究，只是到了解放后才有少數(shù)人開始準(zhǔn)備半導(dǎo)體的研究工作。1953年春，中國科學(xué)院赴蘇聯(lián)考察的代表團(tuán)回來報(bào)告了蘇聯(lián)在半導(dǎo)體科學(xué)研究方面的巨大成就與進(jìn)展情況，使我國物理工作者進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到了半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的重要性。原計(jì)劃于1955年1月召開全國性的半導(dǎo)體物理學(xué)討論會(huì)，陸學(xué)善、黃昆、王守武、洪朝生與湯定元等五位學(xué)者組成籌備委員會(huì)，以陸學(xué)善為召集人，進(jìn)行籌備工作。會(huì)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(xué)進(jìn)軍的號(hào)召，使半導(dǎo)體事業(yè)倍受鼓舞，當(dāng)時(shí)又有幾位半導(dǎo)體專家如高鼎三、成眾志等從國外問來，使會(huì)議增添了新內(nèi)容。會(huì)議著重介紹了半導(dǎo)體在各方面的應(yīng)用及物理原理，同時(shí)，也交換了有關(guān)今后半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)工作者的培養(yǎng)與半導(dǎo)體的研制機(jī)構(gòu)等憊見。在當(dāng)年制定的我國12年科學(xué)技術(shù)遠(yuǎn)景規(guī)劃中，半導(dǎo)體技術(shù)被列為57項(xiàng)任務(wù)之一，半導(dǎo)體的科學(xué)研究與人才培養(yǎng)也被列入到1956年的緊急措施范圍之內(nèi)。1956年黃昆領(lǐng)導(dǎo)組織了由北京大學(xué)、南京大學(xué)、吉林大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和廈門大學(xué)五校合辦的半導(dǎo)體物理專業(yè)。這是我國第一個(gè)培養(yǎng)半導(dǎo)體科技人才的專業(yè)，黃昆任主任，謝希德任副主任。1958年，謝希德又組建了復(fù)旦大學(xué)固體物理教研室，并籌建了上海技術(shù)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(xué)院半導(dǎo)體所，這是集半導(dǎo)體物理、器件、材料及其應(yīng)用研究于一體的綜合性研究所：1987年，中國科學(xué)院成立了表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：1988年半導(dǎo)體所在從事超晶格、最子阱和低維電子研究工作的同時(shí)創(chuàng)建了半導(dǎo)體旬超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。中國的半導(dǎo)體事業(yè)蓬勃發(fā)展起來。有不少工作己經(jīng)跟上國際發(fā)展的步伐，取得了處于發(fā)展前沿的成果。

四、結(jié)語

晶體管等半導(dǎo)體器件的發(fā)明源于社會(huì)需求導(dǎo)向的牽引，是科學(xué)推力和需求拉力相結(jié)合的碩果。雖然新技術(shù)的產(chǎn)生直接來源于科學(xué)研究的探索，但科學(xué)研究項(xiàng)目的決策、組織都體現(xiàn)著潛在的需求。通過有效的組織能夠把科學(xué)推力和需求拉力結(jié)合在一起，即把科學(xué)研究可能帶來的新進(jìn)展和技術(shù)本身的發(fā)展需求聯(lián)系在一起。這需要學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛而深入的合作，使科學(xué)研究的應(yīng)用潛力能夠與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要領(lǐng)域相結(jié)合，這是科學(xué)技術(shù)得以快速發(fā)展的原動(dòng)力。

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