半導體物理學的發展及啟示

侯亞萍

摘 要：半導體物理學是凝聚態物理學研究的重要方向之一，為現代微電子器件工藝學提供了重要的理論支撐。現代科學技術的不斷革新也帶動了半導體物理水平的進一步提升，使半導體的實用性研究邁入了新的高度。本文主要分析了晶體管、半導體超晶格物理及半導體納米量子器件的發展過程，展望了新型半導體納米材料的發展方向，并在此基礎上剖析了其發展的規律和特點。

關鍵詞：半導體；發展；啟示

引言

半導體物理學起步雖晚，但卻是發展最為迅速、充滿生機的前沿學科。被廣泛應用的計算機產品、微電子及通訊設備中都有半導體的影子，這些器件的開發及創新在很大程度上依賴于半導體物理學的發展。目前多數發達國家和地區都投入了大量的資金和人力致力于半導體物理學的研究，以此不斷尋求技術上的革新，這使得國家之間的競爭力不斷加強，由此可見，半導體物理學的發展對當今社會發展、人們生活及國家安全都有很大的幫助和促進作用。

一、半導體物理學的早期發展

上個世紀三十年代初，科研人員試著從量子理論的角度對晶體中的電子態加以分析。1928年，布洛赫定理的提出進一步完善了晶體中的電子狀態及其運動特點的理論研究，在隨后的1931年，威爾遜結合布洛赫定理分別對導體、半導體和絕緣體的微觀區分給出了判斷依據，自此以后，半導體物理學的理論基礎正式被認可。

到了四十年代，貝爾實驗室聚集了處于科研前沿的眾多科學家，開展了關于半導體的研究工作。在1947年，實驗人員巴丁和布拉頓宣告接觸晶體管試品的首次問世，次年，肖克利成功研制出了結接觸晶體管，他們三人也共同獲得了諾貝爾物理學獎。晶體管的發明是二十世紀最為重大的發明之一，人類科學技術的發展自此步入了一個新的臺階。

到了五十年代，隨著晶體管應用的普及，半導體物理學逐漸引起各領域的重視，眾學者百花齊放，對半導體中晶體的電子運動狀態、平衡及輸運和半導體的光點特性深入研究，逐步完善了半導體物理學的理論體系。在六十年代，半導體物理學的發展已達到鼎盛時期，技術日臻成熟，微處理器及集成電路的相繼問世，使微電子工業領域迅速崛起，這為信息化時代的到來奠定了堅實的基礎。在1958年，安德森提出的局域態理論為非晶態半導體物理學的研究鋪平了道路。江崎和朱兆祥在1969年指出，可通過人為調節半導體中晶體電子的狀態及運動規律來制出半導體超晶格，這一理論的提出，使科研人員的注意力轉為對電子群的局域性運動及微結構物理特性的研究。馮？克利青在1980年提出了整數量子的霍爾效應，崔琦緊接著在1982年發現了分數量子的霍爾效應，這些低維現象的發現使半導體物理學的研究進入了現代化發展階段。

二、半導體超晶格物理的發展

隨著人們對半導體認知的日益完善和相關技術的逐漸成熟，人們開始通過人為改變半導體晶體電子的狀態及運動規律來制造出新的材料，以滿足生活生產所需。

超晶格就是借助半導體的微加工技術，在人為作用下制造出的一種周期性結構，其周期也只是天然材料晶格常數的整數倍，“超”即人工附加的周期性。卓以和于1971年通過超高真空實驗，使晶體外延生長，制備出了單晶膜，即超晶格材料。自此以后，關于超晶格、量子點等低維半導體材料的研究相繼開展，人們可以根據自己的需求來調制半導體晶格的周期結構，制作出具有特定性能的人工晶格。這些具有特殊性能的微結構有著廣闊的應用前景，與之相關的研究填補了人們對微觀世界認知的空白，使凝聚態物理的整體發展實現質的飛躍。

三、半導體新材料的研究進展

當前，以納米結構制作的納米量子器件已成為半導體物理領域中最先進的技術?，F有的納米器件主要有以下幾種類型。

（1）單電子器件和電路

利用庫侖阻塞和單電子隧道穿通的單電子器件可突破集成電路在物理特性上的限制，同時提高了工藝水平，是納米量子器件研究的主要方向。通過大量的研究和實驗，人們已制備出具有不同結構和技術特性的單電子晶體管。在后續的研究中，如何使單電子器件在室溫或高溫下正常運轉，并將器件結構與更高工藝技術完美結合，制備出單電子集成電路，這是未來的發展方向。

（2）納米光電子器件

該器件是通過外延、微加工、重組生長及分子合成技術等納米級工藝制備而成的，具有納米級尺度和特定物理功能，現有的產品有單電子靜電計、單電子存儲器和量子級聯激光器等。其中量子級聯激光器主要用于大氣探測、工業廢氣分析及監測等方面。今后的研究方向主要是結合半導體晶體的電子運動特性，提升組合材料的結構及工藝，以期制備出可在室溫下持續工作、具有高輸出功率和低閾值電流密度的中紅外甚至遠紅外的量子級聯激光器。

（3）石墨烯晶體管

石墨烯是僅由單層碳原子組成的最薄的新型納米材料。石墨烯最大的優勢在于其內部電子運動速度比一般導體要快的多，這也就意味著石墨烯具有更好的導電性和傳熱性，不受溫度和磁場的限制，內部結構十分穩定。石墨烯的超薄和強導電性使得它在小型器件的應用中非常廣泛。石墨烯的傳輸速度遠大于現有的硅晶體管，在未來的發展中很可能會代替硅的應用，有希望被用于超級計算機的研發中，如此將會引起電子工業的重大改革。

四、半導體物理發展的規律及啟示

（1）科學實驗及工業技術的應用貫穿于半導體物理學的發展

由上述半導體物理學的發展歷程可知，科學實驗始終貫穿其中，新的實驗事實促使人們建立相應的理論體系，而理論又指導著實驗的進展，進一步促進技術的完善。晶體管的研制過程也充分說明了“科學發現致使新的技術發明，技術的進步最終將引領新工業的產生”。

（2）研究與實踐相結合，進一步推進了半導體技術的發展

新工藝可制造出新的材料，新材料的出現蘊含著新的物理效應，在新物理效應的基礎上可研制出新型器件，新器件性能的提升必定促使工藝水平的提高。石墨烯晶體管的成功研制充分說明了這一點，可以預想，在以后的半導體科學技術發展中，這一環環相扣的模式依舊會延續下去。

（3）半導體物理學的發展與社會生產息息相關

半導體物理學的發展進程與不同階段的社會需求是分不開的，在這樣相互促進的作用下，人類社會逐步進入了全新的納米時代。半導體物理的發展使各種半導體器件層出不窮，這些器件在人們日常的生活、生產中都有著不可替代的作用，器件中隱含的巨大利潤反過來又為其研究提供了充足的物質基礎。隨著現今微電子及計算機技術的不斷創新，對半導體器件的需求提出了更大的挑戰，這在一定程度上將會極大的促進半導體物理學的發展及突破。

五、結束語

隨著科學技術和社會需求的雙重推動，半導體物理學的發展愈發迅速。半導體材料的發明及應用對國家科技及國力的提升有著重要的影響，各個國家均已開始致力于對半導體物理的研究，同時半導體新材料的涌現也將為社會的發展提供有價值的導向作用。只有平衡好學術界和社會之間的關系，實現學術與生產的有機結合，才能實現社會進步和半導體技術革新的雙重發展。

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