半导体材料的过去、现在和将来

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1、半导体材料的过去、现在和将来中国科学院院士王占国同学们好！今天我讲的题目是半导体材料的过去、现在和将来，共分6个部分来介绍：什么是半导体材料？硅单晶和外延材料，GaAs和InP单晶材料，宽带隙半导体材料与器件和低维半导体材料的发展现状与趋势，最后是一个小结。现在我们首先来介绍一下什么是半导体材料？我们知道物质存在的形式是多种多样的，有固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导热性差或不好的材料，如图中所示的金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于这两者之间的，即介于导体和绝缘体之间的材料称为

2、半导体。与金属和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。我们再来介绍半导体的发现过程。半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，1833年英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化不同于金属，我们知道，金属的电阻是随温度的升高而增加的，但他发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这个现象是半导体特有的这种导电的现象的第一次的发现。不久，1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。在1874年，德国的布劳恩观

3、察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的电导有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导通，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。随后1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。半导体的这四个效应，虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。半导体的这四个特性是贝尔实验室在1947年12月公布晶体管发明的会上首次提出的。为什么半导体被认可需要这么多年呢？主要原因是当时的材料不纯，如果材料不

4、纯，比如说电导随着温度的增高而增高，究竟是表面效应呢，还是其它别的一些原因？人们当时是搞不清楚的。半导体的第一个应用就是利用它的整流效应作为检波器，就是我们现在说的点接触二极管，即当时的猫胡子检波器，将一个金属探针触在一块半导体上，它就可以用来检测电磁波。除了捡波器以外，在早期，还用来作整流器、光伏电池、红外探测器等，半导体的这四个效应都用到了。从1907年到1927年，美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年，兰治和伯格曼研制成功硒光伏电池。1932年，德国先后就研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器，在二次世界大战中，用于侦探飞机和船舰。不只

5、是德国，包括在盟国方面在这个方面的研究也取得了很大成效，像英国就利用红外探测器，多次侦探到了德国的飞机。红外探测器在现代战争中仍扮演着重要的角色。我们要想更深入地了解半导体，就要用到固体物理和量子力学的知识，我们知道固体是由很多原子组成的，每一个立方厘米内，包含有多达1022以上个原子。对于孤立的原子，比如说氧的原子，如果它们被此离的很远，它们之间就没有作用，围绕着氧原子核外不同轨道运动的电子有着不同的、分立的电子能级，但对于相同的孤立原子相应的电子能级却是相同的。不过当这些原子越靠越近的时候，我们首先会想到的是最外层的电子之间，会存在着互相作用，比如说电子会从这个原子跑到另外一个原子

6、，就是说这些电子不仅受到原来的电子和核的作用，同时也要受到周围其他原子的影响。越是靠外层的电子，运动轨道重叠的可能性就更大，受到的影响也会更大，这时相应于孤立原子中的每个电子能级将分裂成一系列能级。由于固体中的原子数目很大，分离出的电子能级将形成为一个能带，又因为这些孤立原子的每个电子能级都会分裂成为能带，在这些能带之间，存在着电子不能具有的能量区域，成为禁带或带隙。下面有一个图，可以看看固体能带是如何形成的。对于孤立的原子的电子能级，假定它有着如图所示的两个固定的分立能级，这可以从它的分子光谱中非常精确地测出，也可以算的非常准确。如果当孤立原子之间非常接近形成固体的时候，对应的每一个

7、能级都会分裂成一个带，我们把电子没填满的带叫做允许带，或者导带。什么是允许带呢？就是允许电子在带里面自由运动；当然电子能不能在这个带里自由运动，取决于这个带是装满了电子，还是没有装满电子？被电子填满的带，电子是不能在其内自由运动的，称作价带。导带与价带之间，就是原来的固定的分立能级之间有一个禁区，就是说这里的电子能量是不存在的，叫做禁带。你们学了固体物理和量子力学以后就明白了。根据刚刚的讨论，我们现在从能带看看绝缘体、金属和半导体有什么不同。绝