半導(dǎo)體材料的過去、現(xiàn)在和將來

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1、半導(dǎo)體材料的過去、現(xiàn)在和將來中國(guó)科學(xué)院院士王占國(guó)同學(xué)們好！今天我講的題目是半導(dǎo)體材料的過去、現(xiàn)在和將來，共分6個(gè)部分來介紹：什么是半導(dǎo)體材料？硅單晶和外延材料，GaAs和InP單晶材料，寬帶隙半導(dǎo)體材料與器件和低維半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，最后是一個(gè)小結(jié)?，F(xiàn)在我們首先來介紹一下什么是半導(dǎo)體材料？我們知道物質(zhì)存在的形式是多種多樣的，有固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性差或不好的材料，如圖中所示的金剛石、人工晶體、琥珀、陶瓷等等，稱為絕緣體。而把導(dǎo)電、導(dǎo)熱都比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導(dǎo)體。可以簡(jiǎn)單的把介于這兩者之間的，即介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為

2、半導(dǎo)體。與金屬和絕緣體相比，半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀(jì)30年代，當(dāng)材料的提純技術(shù)改進(jìn)以后，半導(dǎo)體的存在才真正被學(xué)術(shù)界認(rèn)可。我們?cè)賮斫榻B半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)過程。半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上可以追溯到很久以前，1833年英國(guó)巴拉迪最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化不同于金屬，我們知道，金屬的電阻是隨溫度的升高而增加的，但他發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這個(gè)現(xiàn)象是半導(dǎo)體特有的這種導(dǎo)電的現(xiàn)象的第一次的發(fā)現(xiàn)。不久，1839年法國(guó)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(gè)特征。在1874年，德國(guó)的布勞恩觀

3、察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的電導(dǎo)有方向性，在它兩端加一個(gè)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)通，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)。隨后1873年，英國(guó)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(gè)特有的性質(zhì)。半導(dǎo)體的這四個(gè)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(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。半導(dǎo)體的這四個(gè)特性是貝爾實(shí)驗(yàn)室在1947年12月公布晶體管發(fā)明的會(huì)上首次提出的。為什么半導(dǎo)體被認(rèn)可需要這么多年呢？主要原因是當(dāng)時(shí)的材料不純，如果材料不

4、純，比如說電導(dǎo)隨著溫度的增高而增高，究竟是表面效應(yīng)呢，還是其它別的一些原因？人們當(dāng)時(shí)是搞不清楚的。半導(dǎo)體的第一個(gè)應(yīng)用就是利用它的整流效應(yīng)作為檢波器，就是我們現(xiàn)在說的點(diǎn)接觸二極管，即當(dāng)時(shí)的貓胡子檢波器，將一個(gè)金屬探針觸在一塊半導(dǎo)體上，它就可以用來檢測(cè)電磁波。除了撿波器以外，在早期，還用來作整流器、光伏電池、紅外探測(cè)器等，半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)都用到了。從1907年到1927年，美國(guó)的物理學(xué)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(guó)先后就研制成功硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛等半導(dǎo)體紅外探測(cè)器，在二次世界大戰(zhàn)中，用于偵探飛機(jī)和船艦。不只

5、是德國(guó)，包括在盟國(guó)方面在這個(gè)方面的研究也取得了很大成效，像英國(guó)就利用紅外探測(cè)器，多次偵探到了德國(guó)的飛機(jī)。紅外探測(cè)器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中仍扮演著重要的角色。我們要想更深入地了解半導(dǎo)體，就要用到固體物理和量子力學(xué)的知識(shí)，我們知道固體是由很多原子組成的，每一個(gè)立方厘米內(nèi)，包含有多達(dá)1022以上個(gè)原子。對(duì)于孤立的原子，比如說氧的原子，如果它們被此離的很遠(yuǎn)，它們之間就沒有作用，圍繞著氧原子核外不同軌道運(yùn)動(dòng)的電子有著不同的、分立的電子能級(jí)，但對(duì)于相同的孤立原子相應(yīng)的電子能級(jí)卻是相同的。不過當(dāng)這些原子越靠越近的時(shí)候，我們首先會(huì)想到的是最外層的電子之間，會(huì)存在著互相作用，比如說電子會(huì)從這個(gè)原子跑到另外一個(gè)原子

6、，就是說這些電子不僅受到原來的電子和核的作用，同時(shí)也要受到周圍其他原子的影響。越是靠外層的電子，運(yùn)動(dòng)軌道重疊的可能性就更大，受到的影響也會(huì)更大，這時(shí)相應(yīng)于孤立原子中的每個(gè)電子能級(jí)將分裂成一系列能級(jí)。由于固體中的原子數(shù)目很大，分離出的電子能級(jí)將形成為一個(gè)能帶，又因?yàn)檫@些孤立原子的每個(gè)電子能級(jí)都會(huì)分裂成為能帶，在這些能帶之間，存在著電子不能具有的能量區(qū)域，成為禁帶或帶隙。下面有一個(gè)圖，可以看看固體能帶是如何形成的。對(duì)于孤立的原子的電子能級(jí)，假定它有著如圖所示的兩個(gè)固定的分立能級(jí)，這可以從它的分子光譜中非常精確地測(cè)出，也可以算的非常準(zhǔn)確。如果當(dāng)孤立原子之間非常接近形成固體的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的每一個(gè)

7、能級(jí)都會(huì)分裂成一個(gè)帶，我們把電子沒填滿的帶叫做允許帶，或者導(dǎo)帶。什么是允許帶呢？就是允許電子在帶里面自由運(yùn)動(dòng)；當(dāng)然電子能不能在這個(gè)帶里自由運(yùn)動(dòng)，取決于這個(gè)帶是裝滿了電子，還是沒有裝滿電子？被電子填滿的帶，電子是不能在其內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)的，稱作價(jià)帶。導(dǎo)帶與價(jià)帶之間，就是原來的固定的分立能級(jí)之間有一個(gè)禁區(qū)，就是說這里的電子能量是不存在的，叫做禁帶。你們學(xué)了固體物理和量子力學(xué)以后就明白了。根據(jù)剛剛的討論，我們現(xiàn)在從能帶看看絕緣體、金屬和半導(dǎo)體有什么不同。絕