半導(dǎo)體材料的發(fā)展史及材料性能分析

　　現(xiàn)代世界里，沒有人可以說自己跟“半導(dǎo)體”沒有關(guān)系。半導(dǎo)體聽起來既生硬又冷冰冰，但它不僅是科學(xué)園區(qū)里那幫工程師的事，你每天滑的手機、用的電腦、看的電視、聽的音響，里面都有半導(dǎo)體元件，可以說若沒有半導(dǎo)體，就沒有現(xiàn)代世界里的輕巧又好用的高科技產(chǎn)物。

　　半導(dǎo)體的重要性不可言喻，甚至被譽為世界上第 4 大重要發(fā)明。美國《大西洋月刊》曾找來科學(xué)家、歷史學(xué)家、技術(shù)專家為人類史上的重大發(fā)明排名，半導(dǎo)體名列第 4，排在前面的分別是印刷機、電力、盤尼西林。

　　而提到半導(dǎo)體，就不得不提到半導(dǎo)體的基礎(chǔ)——材料。

　　在二十世紀的近代科學(xué)，特別是量子力學(xué)發(fā)展知道金屬材料擁有良好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱特性，而陶瓷材料則否，性質(zhì)出來之前，人們對于四周物體的認識仍然屬于較為巨觀的瞭解，那時已經(jīng)介于這兩者之間的，就是半導(dǎo)體材料。

　　半導(dǎo)體的起源

　　英國科學(xué)家法拉第（MIChael Faraday，1791~1867），在電磁學(xué)方面擁有許多貢獻，但較不為人所知的，則是他在1833年發(fā)現(xiàn)的其中一種半導(dǎo)體材料：硫化銀，因為它的電阻隨著溫度上升而降低，當(dāng)時只覺得這件事有些奇特，并沒有激起太大的火花。

　　然而，今天我們已經(jīng)知道，隨著溫度的提升，晶格震動越厲害，使得電阻增加，但對半導(dǎo)體而言，溫度上升使自由載子的濃度增加，反而有助于導(dǎo)電。

　　這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。

　　不久， 1839年法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會產(chǎn)生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個特征。

　　在1874年，德國的布勞恩（Ferdinand Braun，1850~1918）觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。

　　1873年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一個特有的性質(zhì)。

　　半導(dǎo)體的這四個效應(yīng)，雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。

　　直到1906年，美國電機發(fā)明家匹卡（G. W. PICkard，1877~1956），才發(fā)明了第一個固態(tài)電子元件：無線電波偵測器（cat’s whisker），它使用金屬與硅或硫化鉛相接觸所產(chǎn)生的整流功能，來偵測無線電波。

　　在整流理論方面，德國的蕭特基（Walter Schottky，1886~1976）在1939年，于「德國物理學(xué)報」發(fā)表了一篇有關(guān)整流理論的重要論文，做了許多推論，他認為金屬與半導(dǎo)體間有能障（potential barrier）的存在，其主要貢獻就在于精確計算出這個能障的形狀與寬度。

　　至于現(xiàn)在為大家所接受的整流理論，則是1942年，由索末菲（Arnold Sommerfeld， 1868~1951）的學(xué)生貝特所發(fā)展出來，他提出的就是熱電子發(fā)射理論（thermionic emission），這些具有較高能量的電子，可越過能障到達另一邊，其理論也與實驗結(jié)果較為符合。

　　在半導(dǎo)體領(lǐng)域中，與整流理論同等重要的，就是能帶理論。布洛赫（Felix BLOCh，1905~1983）在這方面做出了重要的貢獻，其定理是將電子波函數(shù)加上了週期性的項，首開能帶理論的先河。另一方面，德國人佩爾斯于1929年，則指出一個幾乎完全填滿的能帶，其電特性可以用一些帶正電的電荷來解釋，這就是電洞概念的濫觴；他后來提出的微擾理論，解釋了能隙（Energy gap）存在。

　　半導(dǎo)體材料早期發(fā)展

　　20世紀初期，盡管人們對半導(dǎo)體認識比較少，但是對半導(dǎo)體材料的應(yīng)用研究還是比較活躍的。

　　20世紀20年代，固體物理和量子力學(xué)的發(fā)展以及能帶論的不斷完善，使半導(dǎo)體材料中的電子態(tài)和電子輸運過程的研究更加深入，對半導(dǎo)體材料中的結(jié)構(gòu)性能、雜質(zhì)和缺陷行為有了更深刻的認識，提高半導(dǎo)體晶體材料的完整性和純度的研究。