半导体材料的发展史及材料性能分析

　　现代世界里，没有人可以说自己跟“半导体”没有关系。半导体听起来既生硬又冷冰冰，但它不仅是科学园区里那帮工程师的事，你每天滑的手机、用的电脑、看的电视、听的音响，里面都有半导体元件，可以说若没有半导体，就没有现代世界里的轻巧又好用的高科技产物。

　　半导体的重要性不可言喻，甚至被誉为世界上第 4 大重要发明。美国《大西洋月刊》曾找来科学家、历史学家、技术专家为人类史上的重大发明排名，半导体名列第 4，排在前面的分别是印刷机、电力、盘尼西林。

　　而提到半导体，就不得不提到半导体的基础——材料。

　　在二十世纪的近代科学，特别是量子力学发展知道金属材料拥有良好的导电与导热特性，而陶瓷材料则否，性质出来之前，人们对于四周物体的认识仍然属于较为巨观的瞭解，那时已经介于这两者之间的，就是半导体材料。

　　半导体的起源

　　英国科学家法拉第（MIChael Faraday，1791~1867），在电磁学方面拥有许多贡献，但较不为人所知的，则是他在1833年发现的其中一种半导体材料：硫化银，因为它的电阻随着温度上升而降低，当时只觉得这件事有些奇特，并没有激起太大的火花。

　　然而，今天我们已经知道，随着温度的提升，晶格震动越厉害，使得电阻增加，但对半导体而言，温度上升使自由载子的浓度增加，反而有助于导电。

　　这是半导体现象的首次发现。

　　不久， 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。

　　在1874年，德国的布劳恩（Ferdinand Braun，1850~1918）观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。

　　1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。

　　半导体的这四个效应，虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。

　　直到1906年，美国电机发明家匹卡（G. W. PICkard，1877~1956），才发明了第一个固态电子元件：无线电波侦测器（cat’s whisker），它使用金属与硅或硫化铅相接触所产生的整流功能，来侦测无线电波。

　　在整流理论方面，德国的萧特基（Walter Schottky，1886~1976）在1939年，于「德国物理学报」发表了一篇有关整流理论的重要论文，做了许多推论，他认为金属与半导体间有能障（potential barrier）的存在，其主要贡献就在于精确计算出这个能障的形状与宽度。

　　至于现在为大家所接受的整流理论，则是1942年，由索末菲（Arnold Sommerfeld， 1868~1951）的学生贝特所发展出来，他提出的就是热电子发射理论（thermionic emission），这些具有较高能量的电子，可越过能障到达另一边，其理论也与实验结果较为符合。

　　在半导体领域中，与整流理论同等重要的，就是能带理论。布洛赫（Felix BLOCh，1905~1983）在这方面做出了重要的贡献，其定理是将电子波函数加上了週期性的项，首开能带理论的先河。另一方面，德国人佩尔斯于1929年，则指出一个几乎完全填满的能带，其电特性可以用一些带正电的电荷来解释，这就是电洞概念的滥觞；他后来提出的微扰理论，解释了能隙（Energy gap）存在。

　　半导体材料早期发展

　　20世纪初期，尽管人们对半导体认识比较少，但是对半导体材料的应用研究还是比较活跃的。

　　20世纪20年代，固体物理和量子力学的发展以及能带论的不断完善，使半导体材料中的电子态和电子输运过程的研究更加深入，对半导体材料中的结构性能、杂质和缺陷行为有了更深刻的认识，提高半导体晶体材料的完整性和纯度的研究。