半導(dǎo)體物理的研究進(jìn)展

摘 要：從十九世紀(jì)開始，人們就開始研究半導(dǎo)體的發(fā)展，到目前為止半導(dǎo)體的研究已經(jīng)在當(dāng)代物理學(xué)和相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展中都占據(jù)非常重要的地位。半導(dǎo)體物理學(xué)是凝聚態(tài)物理學(xué)科的一個分支學(xué)科，同時也是現(xiàn)代微電子器件工藝學(xué)的一個理論核心內(nèi)容。半導(dǎo)體不僅在理論方面具有非常的物理內(nèi)涵，而且它的性能也具有很大的發(fā)展前景。隨著半導(dǎo)體的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體新材料漸漸地取代了很多的傳統(tǒng)的一些物理器件，其中具有非常重要影響作用的包括一些晶體管和一些集成電路，都是半導(dǎo)體電子器件發(fā)展的鮮明標(biāo)志?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)也帶動半導(dǎo)體學(xué)科領(lǐng)域的快速發(fā)展，并且不斷拓寬半導(dǎo)體在往一個新的高度和水平發(fā)展。很多的科學(xué)家在研究和探討半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展規(guī)律的時候，也深刻地掌握了半導(dǎo)體科學(xué)的技術(shù)，掌握著時代發(fā)展的一個發(fā)展趨勢。半導(dǎo)體物理的發(fā)展對于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用方面也存在重大的意義，不斷提高生產(chǎn)力的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展工作。本文主要是對于半導(dǎo)體物理發(fā)展的進(jìn)展做一個評述，通過晶體管的發(fā)明過程、半導(dǎo)體超晶格物理的發(fā)展以及半導(dǎo)體納米量子器件的研究進(jìn)展，展望了新型半導(dǎo)體納米材料的發(fā)展前景，并且通過對半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展歷程為依據(jù)深入研究其發(fā)展規(guī)律和特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體；超晶格；物理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.261

0 引言

我國的信息產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展成為國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱之一，同時信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展也在不斷推進(jìn)器件制造和軟件開發(fā)的快速發(fā)展。但是信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中不斷有一些新原理和新功能的器件制造很大程度上面還是依賴于半導(dǎo)體物理的研究與發(fā)展?，F(xiàn)在很多的發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都在半導(dǎo)體物理領(lǐng)域投入大量的資金和人力資源進(jìn)行半導(dǎo)體物理的研究和創(chuàng)新，這樣的一個市場狀態(tài)也加劇了每個國家的競爭程度，因?yàn)榘雽?dǎo)體物理的發(fā)展能夠?yàn)樯鐣l(fā)展、人們的生活和國家的安全帶來很大的幫助和促進(jìn)作用。

半導(dǎo)體是屬于物理學(xué)方面的一個新領(lǐng)域，它的發(fā)展歷史比較短，是在四十年代以后才發(fā)展起來的一個新領(lǐng)域。在本個世紀(jì)初期的時候，人們對于半導(dǎo)體還是不了解的，人們只是知道金屬具有很好的導(dǎo)電性，生活中常用的金屬如：鋁和銅這些導(dǎo)電材料；同時和金屬材料的導(dǎo)電性相反的一些材料也就是絕緣體，絕緣體的導(dǎo)電性非常差，絕緣體主要有一些橡膠或陶瓷等材料，這些材料在生活應(yīng)用當(dāng)中用的比較多；半導(dǎo)體的導(dǎo)電性就是介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物質(zhì)，而半導(dǎo)體的導(dǎo)電性就是介于這兩者之間的，例如物理試驗(yàn)中經(jīng)常用到的硅和鍺等物質(zhì)，這些半導(dǎo)體材料在工業(yè)應(yīng)用上面還是不很多。

1 半導(dǎo)體物理的早期發(fā)展

在十九世紀(jì)七十年代早期的時候，一種叫做棲的半導(dǎo)體材料被人們發(fā)現(xiàn)，這種半導(dǎo)體材料具有很多的光電性能，并且通過對于這種半導(dǎo)體材料進(jìn)行了大量的相關(guān)實(shí)驗(yàn)測量研究，同時通過大量實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果總結(jié)，積累起很多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，但是由于對這種半導(dǎo)體材料缺乏機(jī)理認(rèn)識不清楚的現(xiàn)象，所以很難掌握并且有效地利用這些性能的方法，因此在實(shí)際應(yīng)用的過程當(dāng)中還是得不到廣泛的應(yīng)用，對于這方面的研究也就得不到充分的重視。

在本世紀(jì)二十年代以后，人們發(fā)明了半導(dǎo)體材料的檢波器，這個檢波器可以為半導(dǎo)體方面的實(shí)驗(yàn)研究提供很大的幫助作用。同時這些器件也為工業(yè)發(fā)展提供的一定的促進(jìn)作用，但是這些器件的穩(wěn)定性比較差，而且價錢也特別昂貴，在制造工藝方面還得不到有效的改進(jìn)和完善，因此在實(shí)際的應(yīng)用過程當(dāng)中有很多的器件都因?yàn)樾阅鼙容^差而被淘汰掉了，也有一些器件在長期的研究過程中并沒有很大的突破，發(fā)展速度比較緩慢。

到了三十年代中期的時候，量子力學(xué)得到很好的發(fā)展，并且量子力學(xué)在固體物理方面發(fā)揮著重要的作用，量子力學(xué)的成功也象征著人們對于半導(dǎo)體本質(zhì)方面有了一個全新的認(rèn)識，并且人們能夠很好地應(yīng)用半導(dǎo)體材料。人們通過對于半導(dǎo)體的各方面性能的研究，能夠很好地控制半導(dǎo)體的電學(xué)方面的性能，大大促進(jìn)了半導(dǎo)體在固體物理學(xué)方面的發(fā)展進(jìn)度。雷達(dá)技術(shù)在第二次世界大戰(zhàn)期間得到了非?？焖俚陌l(fā)展，因?yàn)槔走_(dá)需要用到很多的半導(dǎo)體材料，所以半導(dǎo)體材料在此期間突飛猛進(jìn)，加速了半導(dǎo)體方面的飛速發(fā)展。半導(dǎo)體學(xué)科在理論方面具有非常扎實(shí)可靠的理論基礎(chǔ)，對于其后半導(dǎo)體技術(shù)能夠得到高速發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，同時由于在生產(chǎn)實(shí)踐過程中的迫切需求，這些都是使得半導(dǎo)體技術(shù)能夠得到迅速發(fā)展和繁榮起來的原因。隨著人們在半導(dǎo)體物理方面的研究工作不斷得到重視，并且展開大量的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究工作。在1948年的時候，人們通過大量的實(shí)驗(yàn)和不斷的努力終于發(fā)明了三極管。晶體管是一項(xiàng)非常重大的發(fā)明，它標(biāo)志著人們在半導(dǎo)體方面取得了非常重大的突破和成功的一個標(biāo)志。隨著半導(dǎo)體的出現(xiàn)和被人們廣泛地了解之后，在相關(guān)物理研究領(lǐng)域也掀起了一場非常大的影響，這種器件得到很多的學(xué)者和研究人員的重視。晶體管的出現(xiàn)標(biāo)志著被人們所熟悉和應(yīng)用的電子學(xué)器件真空管將要被這個體積非常小的晶體管所代替。點(diǎn)接觸式的晶體管在剛開始被發(fā)明的時候，在性能上面依然存在很大的不足和很多的缺陷，但是這個時候就有很多人預(yù)言在電子技術(shù)領(lǐng)域中晶體管將要引起一場非常大的革命。盡管在剛開始的時候晶體管的方法作用不是非常明顯，但是人們通過一個偶然的機(jī)會將晶體管的放大作用的機(jī)理了解的很清楚，并且利用晶體管的放大作用對于晶體管的結(jié)構(gòu)方面提出了一種新的構(gòu)造方案。經(jīng)過人們長期的研究和探索，人們終于成功地制作出能夠符合面結(jié)型晶體結(jié)構(gòu)的新方案（鍺合金管）。鍺合金管的出現(xiàn)具有很重要的指導(dǎo)性和標(biāo)志性的意義，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：第一方面就是鍺合金管在半導(dǎo)體發(fā)展過程中是一個非常成功的理論指導(dǎo)實(shí)踐的成功范例，第二方面就是鍺合金管的出現(xiàn)標(biāo)志著半導(dǎo)體晶體管已經(jīng)能夠在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中得到廣泛生產(chǎn)和應(yīng)用。

在五十年代初期的時候，隨著鍺合金管的出現(xiàn)，半導(dǎo)體材料得到了前所未有的發(fā)展，特別是在鍺的提純了拉制單晶體當(dāng)面有了一個質(zhì)的飛躍，這項(xiàng)技術(shù)也對于后期鍺材料各方面技術(shù)的發(fā)展和完善提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展不僅對于許多半導(dǎo)體的質(zhì)量方面有所提升，同時也在相關(guān)的學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展方面發(fā)揮了巨大的影響作用。由于很多半導(dǎo)體材料的純度和質(zhì)量得到了很大的提高，這樣就更加有利于半導(dǎo)體物理的研究工作能夠更加深入的進(jìn)行研究下去，并且有了很多新的研究突破。例如，在實(shí)際研究過程中，因?yàn)榘雽?dǎo)體材料的純度得到很大的提升，這就使得人們能夠更加清楚和幾率去觀察到半導(dǎo)體中的電子或空穴的迥旋共振，并且能夠進(jìn)一步深入研究，使得人們能夠更好地認(rèn)識到半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)。endprint

在半導(dǎo)體器件的發(fā)展的過程中，人們對于半導(dǎo)體材料的要求越來越高，并且能夠根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)不斷加大研究，力求創(chuàng)新，努力提高很多半導(dǎo)體材料的純度和質(zhì)量，使得半導(dǎo)體材料的純度更高，更加有利于相關(guān)方面的實(shí)驗(yàn)研究，另一個方面就是能夠不斷去探索半導(dǎo)體方面的新材料，找到更加有研究價值和實(shí)用價值的新型半導(dǎo)體材料。在研究半導(dǎo)體提純方面的時候，很多科學(xué)家能夠通過跳躍性的思維模式，跳出以前常用的化學(xué)提純的方法，不斷追求一種更加高效和可行的物理方法來不斷提高半導(dǎo)體材料的純度。研究人員通過從水平的區(qū)熔提純方法發(fā)展到無堆坍區(qū)熔提純法，在這個研究方法的改進(jìn)過程中，經(jīng)歷了大量的實(shí)驗(yàn)和提純精度的比較，最終研究出來的一種新的提純方法。這些材料提純方法在生產(chǎn)制造方面和科學(xué)研究方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用，例如在生產(chǎn)制造方面能夠大大促進(jìn)純度很高材料的大批量生產(chǎn)和制造，在科研方面能夠有助于相關(guān)元素的更深入的研究，以前由于純度不夠，得不到很好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，現(xiàn)在這些問題就可以迎刃而解了，對于現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有非常強(qiáng)大的推動作用。

從五十年代初期發(fā)展到現(xiàn)在，半導(dǎo)體的發(fā)展也隨著技術(shù)的發(fā)展得到很快的發(fā)展帶動作用，半導(dǎo)體材料的研究也帶動了整個物理領(lǐng)域方面的深入研究。很多半導(dǎo)體發(fā)展比較先進(jìn)的跨國公司，為了能夠在半導(dǎo)體方面領(lǐng)先于其他的國家，能夠獲得更加豐厚的利潤，他們在半導(dǎo)體物理方面投入了時間和金錢去開展一些半導(dǎo)體材料方面的研究和創(chuàng)新工作。目前半導(dǎo)體研究工作在固體物體領(lǐng)域方面已經(jīng)取得了很好的成績，并且在相關(guān)新材料的研究方面也已經(jīng)有了新的突破和進(jìn)展。

2 半導(dǎo)體新材料的研究進(jìn)展

半導(dǎo)體新材料是目前半導(dǎo)體研究的主要方向之一，只有不斷地去探索和發(fā)現(xiàn)新的材料和新材料的新性能才能夠更加有利于半導(dǎo)體未來的發(fā)展，同時這樣半導(dǎo)體新材料也能夠?yàn)榘雽?dǎo)體新器件的開發(fā)與設(shè)計(jì)開辟了一條更加廣闊的道路。超高速的邏輯器件、高性能的光電子器件以及由這些器件集成的電路系統(tǒng)都是當(dāng)今半導(dǎo)體器件發(fā)展的一個大的趨勢，半導(dǎo)體新器件的特點(diǎn)就是器件體積更加小型化，器件的功能更加多樣化。現(xiàn)在很多的半導(dǎo)體器件很多都已經(jīng)開始采用納米結(jié)構(gòu)，納米量子器件現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為半導(dǎo)體材料科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中最為先進(jìn)的前沿發(fā)展領(lǐng)域。目前的納米器件主要包括以下幾種類型。

2.1 單電子器件與電路

單電子器件是一種利用庫侖阻塞和單電子隧道穿通的一種新型半導(dǎo)體器件，單電子器件是利用先進(jìn)的納米量子器件研究技術(shù)，這種器件能夠克服一些集成電路在物理方面的瓶頸，同時也能夠提高工藝方面的要求，是創(chuàng)造新材料發(fā)現(xiàn)新特性的一條重要途徑。通過人們十幾年來的不懈努力，人們通過大量的實(shí)驗(yàn)和研究，現(xiàn)在科學(xué)家大部分都開始采用先進(jìn)的設(shè)備制造技術(shù)來制造單電子晶體管，并且通過大量的實(shí)驗(yàn)測試，研究單電子晶體管在運(yùn)輸過程中存在的一些問題。目前單電子器件主要困難就是如何能夠?qū)坞娮悠骷慕Y(jié)構(gòu)形式與先進(jìn)的工藝技術(shù)相結(jié)合，使得制造出來的器件能夠在高溫、高壓等環(huán)境下工作，并且也在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)單電子集成電路。

2.2 石墨烯晶體管

石墨烯是由單層碳原子組成的一種薄膜，是目前世界上最薄的一種材料，它是由英國曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈.海姆與康斯坦丁.諾沃肖洛夫共同發(fā)現(xiàn)的一種新型納米材料。石墨烯的最大特點(diǎn)就是內(nèi)部電子的運(yùn)動速度特別快，電子在石墨烯內(nèi)部的運(yùn)動速度比在一般的導(dǎo)體中運(yùn)動的速度要快很多倍。電子的運(yùn)動速度非常快也代表著石墨烯比其他的導(dǎo)體具有更好的導(dǎo)電性和傳熱性，石墨烯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也非常穩(wěn)定，能夠克服溫度和磁場的影響。由于石墨烯材料比較薄，所以這樣的材料在以后的應(yīng)用過程中更加有利于一些器件的小型化，即使石墨烯被制作成這么小的器件，但是它的導(dǎo)電性能依舊非常好。安德烈.海姆與康斯坦丁. 諾沃肖洛夫的研究小組采用標(biāo)準(zhǔn)的晶體管工藝，在石墨烯上面用電子束來刻出相應(yīng)的溝道，研制出10納米級別的石墨烯晶體管。當(dāng)石墨烯在被施加電壓的情況下，量子點(diǎn)的導(dǎo)電性會發(fā)生變化，這些量子點(diǎn)具有像晶體管一樣的邏輯狀態(tài)。在以后的發(fā)展過程中，石墨烯有可能會替代掉硅，因此石墨烯的傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了硅晶體管，同時石墨烯的各項(xiàng)性能都非常好，速度特別快，并且非常有希望能夠被應(yīng)用在超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用研發(fā)當(dāng)中?，F(xiàn)在很多專家大部分都認(rèn)為未來的石墨烯將要取代硅，如果到那個時候?qū)l(fā)起一場非常巨大的電子工業(yè)革命。

3 結(jié)論

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，各個國家都已經(jīng)開始重視對于半導(dǎo)體物理的發(fā)展和研究，半導(dǎo)體新材料的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用將對于一個國家產(chǎn)生非常重要的影響。同時半導(dǎo)體新材料主要還是發(fā)源于社會的需求，半導(dǎo)體新材料也將對于社會發(fā)展提供一個有力的導(dǎo)向作用。隨著科學(xué)的發(fā)展和社會的需求共同作用，使得半導(dǎo)體物理的發(fā)展更加的快速，半導(dǎo)體材料新技術(shù)的發(fā)展主要是依靠科學(xué)技術(shù)的研究和探索，但是離不開社會需求的潛在推動作用。因?yàn)殡S著社會的發(fā)展，人們生活水平的提高，半導(dǎo)體新材料應(yīng)用的領(lǐng)域也越來越廣泛，只有通過有效的利用好科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動力和更加強(qiáng)烈的社會生產(chǎn)工業(yè)的需要，才能夠科技研究技術(shù)更好地應(yīng)用到生活生產(chǎn)過程中，充分發(fā)揮出科學(xué)技術(shù)對于社會的重要推動和促進(jìn)作用。只有充分協(xié)調(diào)好學(xué)術(shù)界與社會的關(guān)系，將學(xué)術(shù)與產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，才能夠更好更快地推動社會的發(fā)展，并且能夠加快半導(dǎo)體技術(shù)的突破與創(chuàng)新，更好的帶動整個社會的快速發(fā)展。

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作者簡介：吳化楠（1982-），男，遼寧營口人，學(xué)士學(xué)位，講師，主要研究方向：物理學(xué)。endprint