半导体物理学的发展及启示

侯亚萍

摘 要：半导体物理学是凝聚态物理学研究的重要方向之一，为现代微电子器件工艺学提供了重要的理论支撑。现代科学技术的不断革新也带动了半导体物理水平的进一步提升，使半导体的实用性研究迈入了新的高度。本文主要分析了晶体管、半导体超晶格物理及半导体纳米量子器件的发展过程，展望了新型半导体纳米材料的发展方向，并在此基础上剖析了其发展的规律和特点。

关键词：半导体；发展；启示

引言

半导体物理学起步虽晚，但却是发展最为迅速、充满生机的前沿学科。被广泛应用的计算机产品、微电子及通讯设备中都有半导体的影子，这些器件的开发及创新在很大程度上依赖于半导体物理学的发展。目前多数发达国家和地区都投入了大量的资金和人力致力于半导体物理学的研究，以此不断寻求技术上的革新，这使得国家之间的竞争力不断加强，由此可见，半导体物理学的发展对当今社会发展、人们生活及国家安全都有很大的帮助和促进作用。

一、半导体物理学的早期发展

上个世纪三十年代初，科研人员试着从量子理论的角度对晶体中的电子态加以分析。1928年，布洛赫定理的提出进一步完善了晶体中的电子状态及其运动特点的理论研究，在随后的1931年，威尔逊结合布洛赫定理分别对导体、半导体和绝缘体的微观区分给出了判断依据，自此以后，半导体物理学的理论基础正式被认可。

到了四十年代，贝尔实验室聚集了处于科研前沿的众多科学家，开展了关于半导体的研究工作。在1947年，实验人员巴丁和布拉顿宣告接触晶体管试品的首次问世，次年，肖克利成功研制出了结接触晶体管，他们三人也共同获得了诺贝尔物理学奖。晶体管的发明是二十世纪最为重大的发明之一，人类科学技术的发展自此步入了一个新的台阶。

到了五十年代，随着晶体管应用的普及，半导体物理学逐渐引起各领域的重视，众学者百花齐放，对半导体中晶体的电子运动状态、平衡及输运和半导体的光点特性深入研究，逐步完善了半导体物理学的理论体系。在六十年代，半导体物理学的发展已达到鼎盛时期，技术日臻成熟，微处理器及集成电路的相继问世，使微电子工业领域迅速崛起，这为信息化时代的到来奠定了坚实的基础。在1958年，安德森提出的局域态理论为非晶态半导体物理学的研究铺平了道路。江崎和朱兆祥在1969年指出，可通过人为调节半导体中晶体电子的状态及运动规律来制出半导体超晶格，这一理论的提出，使科研人员的注意力转为对电子群的局域性运动及微结构物理特性的研究。冯？克利青在1980年提出了整数量子的霍尔效应，崔琦紧接着在1982年发现了分数量子的霍尔效应，这些低维现象的发现使半导体物理学的研究进入了现代化发展阶段。

二、半导体超晶格物理的发展

随着人们对半导体认知的日益完善和相关技术的逐渐成熟，人们开始通过人为改变半导体晶体电子的状态及运动规律来制造出新的材料，以满足生活生产所需。

超晶格就是借助半导体的微加工技术，在人为作用下制造出的一种周期性结构，其周期也只是天然材料晶格常数的整数倍，“超”即人工附加的周期性。卓以和于1971年通过超高真空实验，使晶体外延生长，制备出了单晶膜，即超晶格材料。自此以后，关于超晶格、量子点等低维半导体材料的研究相继开展，人们可以根据自己的需求来调制半导体晶格的周期结构，制作出具有特定性能的人工晶格。这些具有特殊性能的微结构有着广阔的应用前景，与之相关的研究填补了人们对微观世界认知的空白，使凝聚态物理的整体发展实现质的飞跃。

三、半导体新材料的研究进展

当前，以纳米结构制作的纳米量子器件已成为半导体物理领域中最先进的技术。现有的纳米器件主要有以下几种类型。

（1）单电子器件和电路

利用库仑阻塞和单电子隧道穿通的单电子器件可突破集成电路在物理特性上的限制，同时提高了工艺水平，是纳米量子器件研究的主要方向。通过大量的研究和实验，人们已制备出具有不同结构和技术特性的单电子晶体管。在后续的研究中，如何使单电子器件在室温或高温下正常运转，并将器件结构与更高工艺技术完美结合，制备出单电子集成电路，这是未来的发展方向。

（2）纳米光电子器件

该器件是通过外延、微加工、重组生长及分子合成技术等纳米级工艺制备而成的，具有纳米级尺度和特定物理功能，现有的产品有单电子静电计、单电子存储器和量子级联激光器等。其中量子级联激光器主要用于大气探测、工业废气分析及监测等方面。今后的研究方向主要是结合半导体晶体的电子运动特性，提升组合材料的结构及工艺，以期制备出可在室温下持续工作、具有高输出功率和低阈值电流密度的中红外甚至远红外的量子级联激光器。

（3）石墨烯晶体管

石墨烯是仅由单层碳原子组成的最薄的新型纳米材料。石墨烯最大的优势在于其内部电子运动速度比一般导体要快的多，这也就意味着石墨烯具有更好的导电性和传热性，不受温度和磁场的限制，内部结构十分稳定。石墨烯的超薄和强导电性使得它在小型器件的应用中非常广泛。石墨烯的传输速度远大于现有的硅晶体管，在未来的发展中很可能会代替硅的应用，有希望被用于超级计算机的研发中，如此将会引起电子工业的重大改革。

四、半导体物理发展的规律及启示

（1）科学实验及工业技术的应用贯穿于半导体物理学的发展

由上述半导体物理学的发展历程可知，科学实验始终贯穿其中，新的实验事实促使人们建立相应的理论体系，而理论又指导着实验的进展，进一步促进技术的完善。晶体管的研制过程也充分说明了“科学发现致使新的技术发明，技术的进步最终将引领新工业的产生”。

（2）研究与实践相结合，进一步推进了半导体技术的发展

新工艺可制造出新的材料，新材料的出现蕴含着新的物理效应，在新物理效应的基础上可研制出新型器件，新器件性能的提升必定促使工艺水平的提高。石墨烯晶体管的成功研制充分说明了这一点，可以预想，在以后的半导体科学技术发展中，这一环环相扣的模式依旧会延续下去。

（3）半导体物理学的发展与社会生产息息相关

半导体物理学的发展进程与不同阶段的社会需求是分不开的，在这样相互促进的作用下，人类社会逐步进入了全新的纳米时代。半导体物理的发展使各种半导体器件层出不穷，这些器件在人们日常的生活、生产中都有着不可替代的作用，器件中隐含的巨大利润反过來又为其研究提供了充足的物质基础。随着现今微电子及计算机技术的不断创新，对半导体器件的需求提出了更大的挑战，这在一定程度上将会极大的促进半导体物理学的发展及突破。

五、结束语

随着科学技术和社会需求的双重推动，半导体物理学的发展愈发迅速。半导体材料的发明及应用对国家科技及国力的提升有着重要的影响，各个国家均已开始致力于对半导体物理的研究，同时半导体新材料的涌现也将为社会的发展提供有价值的导向作用。只有平衡好学术界和社会之间的关系，实现学术与生产的有机结合，才能实现社会进步和半导体技术革新的双重发展。

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