半導體物理的研究進展

摘 要：從十九世紀開始，人們就開始研究半導體的發展，到目前為止半導體的研究已經在當代物理學和相關學科領域的發展中都占據非常重要的地位。半導體物理學是凝聚態物理學科的一個分支學科，同時也是現代微電子器件工藝學的一個理論核心內容。半導體不僅在理論方面具有非常的物理內涵，而且它的性能也具有很大的發展前景。隨著半導體的不斷發展，半導體新材料漸漸地取代了很多的傳統的一些物理器件，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，都是半導體電子器件發展的鮮明標志。現代科學技術的突飛猛進也帶動半導體學科領域的快速發展，并且不斷拓寬半導體在往一個新的高度和水平發展。很多的科學家在研究和探討半導體物理學的發展規律的時候，也深刻地掌握了半導體科學的技術，掌握著時代發展的一個發展趨勢。半導體物理的發展對于現實應用方面也存在重大的意義，不斷提高生產力的發展和相關技術領域的創新發展工作。本文主要是對于半導體物理發展的進展做一個評述，通過晶體管的發明過程、半導體超晶格物理的發展以及半導體納米量子器件的研究進展，展望了新型半導體納米材料的發展前景，并且通過對半導體物理學的發展歷程為依據深入研究其發展規律和特點。

關鍵詞：半導體；超晶格；物理

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

0 引言

我國的信息產業已經發展成為國民經濟的重要支柱之一，同時信息產業的快速發展也在不斷推進器件制造和軟件開發的快速發展。但是信息產業的發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體物理的研究與發展。現在很多的發達國家和地區都在半導體物理領域投入大量的資金和人力資源進行半導體物理的研究和創新，這樣的一個市場狀態也加劇了每個國家的競爭程度，因為半導體物理的發展能夠為社會發展、人們的生活和國家的安全帶來很大的幫助和促進作用。

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

1 半導體物理的早期發展

在十九世紀七十年代早期的時候，一種叫做棲的半導體材料被人們發現，這種半導體材料具有很多的光電性能，并且通過對于這種半導體材料進行了大量的相關實驗測量研究，同時通過大量實驗研究的結果總結，積累起很多的實驗數據結果，但是由于對這種半導體材料缺乏機理認識不清楚的現象，所以很難掌握并且有效地利用這些性能的方法，因此在實際應用的過程當中還是得不到廣泛的應用，對于這方面的研究也就得不到充分的重視。

在本世紀二十年代以后，人們發明了半導體材料的檢波器，這個檢波器可以為半導體方面的實驗研究提供很大的幫助作用。同時這些器件也為工業發展提供的一定的促進作用，但是這些器件的穩定性比較差，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和完善，因此在實際的應用過程當中有很多的器件都因為性能比較差而被淘汰掉了，也有一些器件在長期的研究過程中并沒有很大的突破，發展速度比較緩慢。

到了三十年代中期的時候，量子力學得到很好的發展，并且量子力學在固體物理方面發揮著重要的作用，量子力學的成功也象征著人們對于半導體本質方面有了一個全新的認識，并且人們能夠很好地應用半導體材料。人們通過對于半導體的各方面性能的研究，能夠很好地控制半導體的電學方面的性能，大大促進了半導體在固體物理學方面的發展進度。雷達技術在第二次世界大戰期間得到了非常快速的發展，因為雷達需要用到很多的半導體材料，所以半導體材料在此期間突飛猛進，加速了半導體方面的飛速發展。半導體學科在理論方面具有非常扎實可靠的理論基礎，對于其后半導體技術能夠得到高速發展提供了堅實的理論基礎，同時由于在生產實踐過程中的迫切需求，這些都是使得半導體技術能夠得到迅速發展和繁榮起來的原因。隨著人們在半導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實驗研究工作。在1948年的時候，人們通過大量的實驗和不斷的努力終于發明了三極管。晶體管是一項非常重大的發明，它標志著人們在半導體方面取得了非常重大的突破和成功的一個標志。隨著半導體的出現和被人們廣泛地了解之后，在相關物理研究領域也掀起了一場非常大的影響，這種器件得到很多的學者和研究人員的重視。晶體管的出現標志著被人們所熟悉和應用的電子學器件真空管將要被這個體積非常小的晶體管所代替。點接觸式的晶體管在剛開始被發明的時候，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言在電子技術領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會將晶體管的放大作用的機理了解的很清楚，并且利用晶體管的放大作用對于晶體管的結構方面提出了一種新的構造方案。經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型晶體結構的新方案（鍺合金管）。鍺合金管的出現具有很重要的指導性和標志性的意義，主要表現在以下兩個方面：第一方面就是鍺合金管在半導體發展過程中是一個非常成功的理論指導實踐的成功范例，第二方面就是鍺合金管的出現標志著半導體晶體管已經能夠在實際工業應用中得到廣泛生產和應用。

在五十年代初期的時候，隨著鍺合金管的出現，半導體材料得到了前所未有的發展，特別是在鍺的提純了拉制單晶體當面有了一個質的飛躍，這項技術也對于后期鍺材料各方面技術的發展和完善提供了堅實的基礎。這項技術的發展不僅對于許多半導體的質量方面有所提升，同時也在相關的學科領域發展方面發揮了巨大的影響作用。由于很多半導體材料的純度和質量得到了很大的提高，這樣就更加有利于半導體物理的研究工作能夠更加深入的進行研究下去，并且有了很多新的研究突破。例如，在實際研究過程中，因為半導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體中的電子或空穴的迥旋共振，并且能夠進一步深入研究，使得人們能夠更好地認識到半導體的能帶結構。endprint

在半導體器件的發展的過程中，人們對于半導體材料的要求越來越高，并且能夠根據現有的技術不斷加大研究，力求創新，努力提高很多半導體材料的純度和質量，使得半導體材料的純度更高，更加有利于相關方面的實驗研究，另一個方面就是能夠不斷去探索半導體方面的新材料，找到更加有研究價值和實用價值的新型半導體材料。在研究半導體提純方面的時候，很多科學家能夠通過跳躍性的思維模式，跳出以前常用的化學提純的方法，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體材料的純度。研究人員通過從水平的區熔提純方法發展到無堆坍區熔提純法，在這個研究方法的改進過程中，經歷了大量的實驗和提純精度的比較，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制造方面和科學研究方面都得到了非常廣泛的應用，例如在生產制造方面能夠大大促進純度很高材料的大批量生產和制造，在科研方面能夠有助于相關元素的更深入的研究，以前由于純度不夠，得不到很好的實驗結果，現在這些問題就可以迎刃而解了，對于現在科學技術的發展具有非常強大的推動作用。

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

2 半導體新材料的研究進展

半導體新材料是目前半導體研究的主要方向之一，只有不斷地去探索和發現新的材料和新材料的新性能才能夠更加有利于半導體未來的發展，同時這樣半導體新材料也能夠為半導體新器件的開發與設計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都是當今半導體器件發展的一個大的趨勢，半導體新器件的特點就是器件體積更加小型化，器件的功能更加多樣化。現在很多的半導體器件很多都已經開始采用納米結構，納米量子器件現在已經發展成為半導體材料科學技術領域中最為先進的前沿發展領域。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體器件，單電子器件是利用先進的納米量子器件研究技術，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，是創造新材料發現新特性的一條重要途徑。通過人們十幾年來的不懈努力，人們通過大量的實驗和研究，現在科學家大部分都開始采用先進的設備制造技術來制造單電子晶體管，并且通過大量的實驗測試，研究單電子晶體管在運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將單電子器件的結構形式與先進的工藝技術相結合，使得制造出來的器件能夠在高溫、高壓等環境下工作，并且也在設計實現單電子集成電路。

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的物理學家安德烈.海姆與康斯坦丁.諾沃肖洛夫共同發現的一種新型納米材料。石墨烯的最大特點就是內部電子的運動速度特別快，電子在石墨烯內部的運動速度比在一般的導體中運動的速度要快很多倍。電子的運動速度非常快也代表著石墨烯比其他的導體具有更好的導電性和傳熱性，石墨烯的內部結構也非常穩定，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準的晶體管工藝，在石墨烯上面用電子束來刻出相應的溝道，研制出10納米級別的石墨烯晶體管。當石墨烯在被施加電壓的情況下，量子點的導電性會發生變化，這些量子點具有像晶體管一樣的邏輯狀態。在以后的發展過程中，石墨烯有可能會替代掉硅，因此石墨烯的傳輸速度遠遠超過了硅晶體管，同時石墨烯的各項性能都非常好，速度特別快，并且非常有希望能夠被應用在超級計算機的應用研發當中。現在很多專家大部分都認為未來的石墨烯將要取代硅，如果到那個時候將會引發起一場非常巨大的電子工業革命。

3 結論

隨著半導體行業的快速發展，各個國家都已經開始重視對于半導體物理的發展和研究，半導體新材料的發現與應用將對于一個國家產生非常重要的影響。同時半導體新材料主要還是發源于社會的需求，半導體新材料也將對于社會發展提供一個有力的導向作用。隨著科學的發展和社會的需求共同作用，使得半導體物理的發展更加的快速，半導體材料新技術的發展主要是依靠科學技術的研究和探索，但是離不開社會需求的潛在推動作用。因為隨著社會的發展，人們生活水平的提高，半導體新材料應用的領域也越來越廣泛，只有通過有效的利用好科學技術的發展推動力和更加強烈的社會生產工業的需要，才能夠科技研究技術更好地應用到生活生產過程中，充分發揮出科學技術對于社會的重要推動和促進作用。只有充分協調好學術界與社會的關系，將學術與產業相結合，才能夠更好更快地推動社會的發展，并且能夠加快半導體技術的突破與創新，更好的帶動整個社會的快速發展。

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