半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展及啟示

侯亞萍

摘 要：半導(dǎo)體物理學(xué)是凝聚態(tài)物理學(xué)研究的重要方向之一，為現(xiàn)代微電子器件工藝學(xué)提供了重要的理論支撐?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷革新也帶動了半導(dǎo)體物理水平的進(jìn)一步提升，使半導(dǎo)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(dǎo)體超晶格物理及半導(dǎo)體納米量子器件的發(fā)展過程，展望了新型半導(dǎo)體納米材料的發(fā)展方向，并在此基礎(chǔ)上剖析了其發(fā)展的規(guī)律和特點。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體；發(fā)展；啟示

引言

半導(dǎo)體物理學(xué)起步雖晚，但卻是發(fā)展最為迅速、充滿生機(jī)的前沿學(xué)科。被廣泛應(yīng)用的計算機(jī)產(chǎn)品、微電子及通訊設(shè)備中都有半導(dǎo)體的影子，這些器件的開發(fā)及創(chuàng)新在很大程度上依賴于半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展。目前多數(shù)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都投入了大量的資金和人力致力于半導(dǎo)體物理學(xué)的研究，以此不斷尋求技術(shù)上的革新，這使得國家之間的競爭力不斷加強(qiáng)，由此可見，半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展對當(dāng)今社會發(fā)展、人們生活及國家安全都有很大的幫助和促進(jìn)作用。

一、半導(dǎo)體物理學(xué)的早期發(fā)展

上個世紀(jì)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(tài)加以分析。1928年，布洛赫定理的提出進(jìn)一步完善了晶體中的電子狀態(tài)及其運動特點的理論研究，在隨后的1931年，威爾遜結(jié)合布洛赫定理分別對導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的微觀區(qū)分給出了判斷依據(jù)，自此以后，半導(dǎo)體物理學(xué)的理論基礎(chǔ)正式被認(rèn)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(xué)家，開展了關(guān)于半導(dǎo)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(jié)接觸晶體管，他們?nèi)艘补餐@得了諾貝爾物理學(xué)獎。晶體管的發(fā)明是二十世紀(jì)最為重大的發(fā)明之一，人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展自此步入了一個新的臺階。

到了五十年代，隨著晶體管應(yīng)用的普及，半導(dǎo)體物理學(xué)逐漸引起各領(lǐng)域的重視，眾學(xué)者百花齊放，對半導(dǎo)體中晶體的電子運動狀態(tài)、平衡及輸運和半導(dǎo)體的光點特性深入研究，逐步完善了半導(dǎo)體物理學(xué)的理論體系。在六十年代，半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展已達(dá)到鼎盛時期，技術(shù)日臻成熟，微處理器及集成電路的相繼問世，使微電子工業(yè)領(lǐng)域迅速崛起，這為信息化時代的到來奠定了堅實的基礎(chǔ)。在1958年，安德森提出的局域態(tài)理論為非晶態(tài)半導(dǎo)體物理學(xué)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(diào)節(jié)半導(dǎo)體中晶體電子的狀態(tài)及運動規(guī)律來制出半導(dǎo)體超晶格，這一理論的提出，使科研人員的注意力轉(zhuǎn)為對電子群的局域性運動及微結(jié)構(gòu)物理特性的研究。馮？克利青在1980年提出了整數(shù)量子的霍爾效應(yīng)，崔琦緊接著在1982年發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子的霍爾效應(yīng)，這些低維現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使半導(dǎo)體物理學(xué)的研究進(jìn)入了現(xiàn)代化發(fā)展階段。

二、半導(dǎo)體超晶格物理的發(fā)展

隨著人們對半導(dǎo)體認(rèn)知的日益完善和相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，人們開始通過人為改變半導(dǎo)體晶體電子的狀態(tài)及運動規(guī)律來制造出新的材料，以滿足生活生產(chǎn)所需。

超晶格就是借助半導(dǎo)體的微加工技術(shù)，在人為作用下制造出的一種周期性結(jié)構(gòu)，其周期也只是天然材料晶格常數(shù)的整數(shù)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(guān)于超晶格、量子點等低維半導(dǎo)體材料的研究相繼開展，人們可以根據(jù)自己的需求來調(diào)制半導(dǎo)體晶格的周期結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)有著廣闊的應(yīng)用前景，與之相關(guān)的研究填補(bǔ)了人們對微觀世界認(rèn)知的空白，使凝聚態(tài)物理的整體發(fā)展實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

三、半導(dǎo)體新材料的研究進(jìn)展

當(dāng)前，以納米結(jié)構(gòu)制作的納米量子器件已成為半導(dǎo)體物理領(lǐng)域中最先進(jìn)的技術(shù)?，F(xiàn)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(jié)構(gòu)和技術(shù)特性的單電子晶體管。在后續(xù)的研究中，如何使單電子器件在室溫或高溫下正常運轉(zhuǎn)，并將器件結(jié)構(gòu)與更高工藝技術(shù)完美結(jié)合，制備出單電子集成電路，這是未來的發(fā)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(shù)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(xiàn)有的產(chǎn)品有單電子靜電計、單電子存儲器和量子級聯(lián)激光器等。其中量子級聯(lián)激光器主要用于大氣探測、工業(yè)廢氣分析及監(jiān)測等方面。今后的研究方向主要是結(jié)合半導(dǎo)體晶體的電子運動特性，提升組合材料的結(jié)構(gòu)及工藝，以期制備出可在室溫下持續(xù)工作、具有高輸出功率和低閾值電流密度的中紅外甚至遠(yuǎn)紅外的量子級聯(lián)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(yōu)勢在于其內(nèi)部電子運動速度比一般導(dǎo)體要快的多，這也就意味著石墨烯具有更好的導(dǎo)電性和傳熱性，不受溫度和磁場的限制，內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。石墨烯的超薄和強(qiáng)導(dǎo)電性使得它在小型器件的應(yīng)用中非常廣泛。石墨烯的傳輸速度遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的硅晶體管，在未來的發(fā)展中很可能會代替硅的應(yīng)用，有希望被用于超級計算機(jī)的研發(fā)中，如此將會引起電子工業(yè)的重大改革。

四、半導(dǎo)體物理發(fā)展的規(guī)律及啟示

（1）科學(xué)實驗及工業(yè)技術(shù)的應(yīng)用貫穿于半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展

由上述半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展歷程可知，科學(xué)實驗始終貫穿其中，新的實驗事實促使人們建立相應(yīng)的理論體系，而理論又指導(dǎo)著實驗的進(jìn)展，進(jìn)一步促進(jìn)技術(shù)的完善。晶體管的研制過程也充分說明了“科學(xué)發(fā)現(xiàn)致使新的技術(shù)發(fā)明，技術(shù)的進(jìn)步最終將引領(lǐng)新工業(yè)的產(chǎn)生”。

（2）研究與實踐相結(jié)合，進(jìn)一步推進(jìn)了半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展

新工藝可制造出新的材料，新材料的出現(xiàn)蘊含著新的物理效應(yīng)，在新物理效應(yīng)的基礎(chǔ)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(yù)想，在以后的半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)發(fā)展中，這一環(huán)環(huán)相扣的模式依舊會延續(xù)下去。

（3）半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展與社會生產(chǎn)息息相關(guān)

半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展進(jìn)程與不同階段的社會需求是分不開的，在這樣相互促進(jìn)的作用下，人類社會逐步進(jìn)入了全新的納米時代。半導(dǎo)體物理的發(fā)展使各種半導(dǎo)體器件層出不窮，這些器件在人們?nèi)粘５纳?、生產(chǎn)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(zhì)基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)今微電子及計算機(jī)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，對半導(dǎo)體器件的需求提出了更大的挑戰(zhàn)，這在一定程度上將會極大的促進(jìn)半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展及突破。

五、結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)和社會需求的雙重推動，半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展愈發(fā)迅速。半導(dǎo)體材料的發(fā)明及應(yīng)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(dǎo)體物理的研究，同時半導(dǎo)體新材料的涌現(xiàn)也將為社會的發(fā)展提供有價值的導(dǎo)向作用。只有平衡好學(xué)術(shù)界和社會之間的關(guān)系，實現(xiàn)學(xué)術(shù)與生產(chǎn)的有機(jī)結(jié)合，才能實現(xiàn)社會進(jìn)步和半導(dǎo)體技術(shù)革新的雙重發(fā)展。

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