半導體材料的過去、現(xiàn)在和將來（１）

作者簡介王占國，中國科學院院士.歷任半導體所研究員，半導體材料室主任?副所長，博士生導師.研究成果先后獲得國家自然科學二等獎和國家科技進步三等獎，中國科學院自然科學一等獎和中科院科技進步一?二?三等獎，何梁何利科學與技術進步獎以及國家重點科技攻關獎多項.

什么是半導體材料

物質(zhì)存在的形式多種多樣，有固體?液體?氣體等.我們通常把導電性和導熱性差或不好的材料，如金剛石?人工晶體?琥珀?陶瓷等，稱為絕緣體;而把導電?導熱都比較好的金屬，如金?銀?銅?鐵?錫?鋁等稱為導體.可以簡單地把介于導體和絕緣體之間的材料稱為半導體.與導體和絕緣體相比，半導體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術改進以后，半導體的存在才真正被學術界認可.

半導體的發(fā)現(xiàn)

半導體的發(fā)現(xiàn)實際上可以追溯到很久以前.1833年，英國的巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀(Ag2S)的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬.一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低的.這是半導體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn).1839年，法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)，半導體和電解質(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，這是被發(fā)現(xiàn)的半導體的第二個特征.在1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關，即它的導電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的，如果把電壓極性反過來，它就不導電.這就是半導體的整流效應，也是半導體所特有的第三種特性.1873年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應，這是半導體又一個特有的性質(zhì).半導體的這四個效應，雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用，而總結(jié)出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成.很多人會疑問，為什么半導體被認可需要這么多年呢?主要原因是當時的材料不純.沒有好的材料，很多與材料相關的問題就難以說清楚.

半導體材料的早期應用

半導體的第一個應用就是利用它的整流效應作為檢波器，即點接觸二極管(俗稱貓胡子檢波器，就是將一個金屬探針接觸在一塊半導體上以檢測電磁波).除了檢波器之外，在早期，半導體還用來做整流器?光伏電池?紅外探測器等，半導體的四個效應都用到了.

從1907年到1927年，美國的物理學家研制成功晶體整流器?硒整流器和氧化亞銅整流器.1931年，蘭治和伯格曼研制成功硒光伏電池.1932年，德國先后研制成功硫化鉛?硒化鉛和碲化鉛等半導體紅外探測器，在二戰(zhàn)中用于偵探飛機和船艦.二戰(zhàn)時盟軍在半導體方面的研究也取得了很大成效，英國就利用紅外探測器多次偵探到了德國的飛機.

晶體管的發(fā)明

晶體管實際上是在1947年的12月23日之前發(fā)明的，當時貝爾實驗室的研究人員看出了晶體管的商業(yè)價值，為寫專利，保密了半年，到1947年12月23日，巴丁和布爾吞才正式公布了他們的發(fā)明，這也成為晶體管的正式發(fā)明日.他們用了一個非常簡單的裝置，就是在一塊鍺晶體上，用兩個非常細的金屬針尖扎在鍺的表面，在一個針上加正電壓，在另外一個針上加負電壓，我們現(xiàn)在分別稱之為發(fā)射極和集電極，N型鍺就變成了基極，這樣就形成了一個有放大作用的PNP晶體管.不久后的1948年的1月23日，肖克萊提出了一個不是點接觸而是面接觸式晶體管結(jié)構(gòu)，后來證明這種結(jié)構(gòu)才是真正有應用價值的結(jié)構(gòu).

巴丁和布爾吞公布了他們的發(fā)明后，人們的反應并不如期望的熱烈.在1952年的4月，為了推廣他們的這個發(fā)明，他們舉辦了公眾聽證會，邀請了美國眾多做真空管的公司參加，但這些公司對半導體晶體管的意義不以為然，不是非常感興趣.試想如果晶體管的發(fā)明得到了成功應用，那么真空管就會慢慢地消失了.所以從這個角度看，他們的熱情不高也是可以理解的.但是科學界給予了這個發(fā)明很高的評價，1956年，巴丁?布爾吞和肖克萊三人被授予諾貝爾物理學獎.

今天看來，晶體管的發(fā)明不僅引起了電子工業(yè)的革命，而且徹底改變了我們的生產(chǎn)?生活方式，通信?家用電器(如音響設備?電視?空調(diào)?電冰箱和洗衣機等)?電腦?航天和航空應用等，幾乎沒有一樣不用晶體管.

責任編輯程哲