一、半导体物理的发展历程
半导体物理是凝聚态物理领域中的一个活跃分支，也是半导体科学技术发展的重要物理基础。半个多世纪以来，半导体物理自身不仅在晶态半导体、非晶态半导体、半导体表面、半导体超晶格、纳米半导体和有机半导体等领域中都获得了令世人瞩目的重大进展，而且它还是一系列新材料、新结构、新效应、新器件和新工艺产生的源泉,极大地丰富了凝聚态物理的研究内容和有力地促进了半导体科学技术的迅速发展。温故而知新。今天,我们重新认识它的发展规律与特点,对于把握半导体物理在21世纪的发展走向具有直接的现实指导意义.
（一）半导体物理早期发展阶段
20世纪30年代初，人们将量子理论运用到晶体中来解释其中的电子态.1928年布洛赫提出著名的布洛赫定理，同时发展完善固体的能带理论。1931年威尔逊运用能带理论给出区分导体、半导体与绝缘体的微观判据，由此奠定半导体物理理论基础。到了20世纪40年代，贝尔实验室开始积极进行半导体研究，且组织一批杰出的科学家工作在科学前沿。1947年12月，布拉顿和巴丁宣布点接触晶体管试制的成功.1948年6月，肖克利研制结接触晶体管。这三位科学家做出杰出贡献，使得他们共同获得1956年诺贝尔物理学奖.
晶体管的发明深刻改变人类技术发展的进程与面貌，也是社会工业化发展的必然结果.早在20世纪30年代，生产电子设备的企业希望有一种电子器件能有电子管的功能，但没有电子管里的灯丝,这因为加热灯丝不但消耗能量且要加热时间，这会延长工作启动过程。因此,贝尔实验室研究人员依据半导体整流和检波作用特点,考虑研究半导体能取代电子管的可能性，从而提出关于半导体三极管设想。直到1947，他们经反复实验研制了一种能够代替电子管的固体放大器件,它主要由半导体和两根金属丝进行点接触构成，称之为点接触晶体管。之后，贝尔实验室的结型晶体管与场效应晶体管研究工作成功。20世纪50年代，晶体管重要的应用价值使半导体物理研究蓬勃地展开。到了20世纪60年代,半导体物理发展达到成熟和推广时期，在此基础上迎来微处理器与集成电路的发明,这为信息时代到来铺平道路。1958年，安德森提出局域态理论，
开创无序系统研究新局面,这也为非晶态半导体物理奠定基础。1967年，Grove等人对半导体表面物理研究已取得重要进展,并使得Si—MOS集成电路稳定性能得以提高。1969年,江崎与朱兆祥提出通过人工调制能带方式制备半导体超晶格。正是在半导体超晶格研究中，冯·克利青发现整数量子霍尔效应。在1982年，崔琦等发现了分数量子霍尔效应，这一系列物理现象的发现正揭开现代半导体物理发展序幕。
(二）半导体超晶格物理的发展
建立半导体超晶格物理是半导体的能带理论发展的必然。之后，人们对各种规则晶体材料性能有相当认识，从而开创以能带理论作为基础的半导体物理体系，也借助其来解释出现的一系列现象.1969年与1976年的分子束外延和金属有机物化学汽相沉积薄膜生长技术正为半导体科学带来一场革命。随微加工技术的逐步发展，加之超净工作条件的建立，实现了晶体的低速率生长,也使人们能创造高质量的异质结构，同时为新型半导体器件设计及应用奠定技术基础。1969年，江崎和朱兆祥第一次提出“超晶格"概念，这里“超”的意思是在天然的周期性外附加人工周期性。1971年,卓以和利用分子束外延技术生长出第一个超晶格材料。从此拉开了超晶格、量子点、量子线和量子阱等等低维半导体材料研究序幕.
（三）半导体物理的发展特点与沿革方向
1.半导体物理的发展序幕—晶态半导体物理
如果将半导体物理的发展比喻为一台威武雄壮的话剧,那么开场剧目则是关于具有完整周期结构的晶态半导体的研究。而作为这一研究的两大理论基石则是于20世纪30年代创建的固体能带理论和50年代初期建立的晶格动力学理论.众所周知,1947年晶体管的发明就是建立在以量子力学体系为基础的固体能带理论上的。可以说，固态电子理论的建立，不仅使人们能够成功地用导带、价带和禁带的概念将金属、半导体和绝缘体分开,从而对晶态半导体结构的认识有了一个新的飞跃，而且还使我们能够深刻理解、牢固掌握和灵活运用半导体的各种物性与本质，
并为设计和制备各种半导体器件及其集成电路奠定了重要物理基础。如果说固体能带理论是在状态空间中描述电子的分布特点与能量状态，那么晶格动力学理论则是在实空间中,从原子微观振动的概念出发，深刻揭示晶格原子之间的相互作用，即晶体在温度场中的行为和规律的理论。它在解释一系列晶体，当然也包括晶态半导体的热学性质、力学性质、弹性性质、介电性质和光学性质等方面都获得了巨大成功。由玻恩与黄昆二人于1954年完成的《晶格动力学理论》这部权威性经典专著，对这些内容作了精辟的论述.
有效质量理论和“空穴”概念的提出，是晶态半导体物理研究中的另一个重大发展.引进有效质量的意义有两个方面，一是它概括了半导体内部势场的作用,使得在解决半导体中的电子处于外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。另一方面,它定量地描述了半导体导带和价带边附近细致的能带结构,给出了研究半导体中浅施主和浅受主能级、激子能级和磁能级等的理论方法，从而促进了当时的回旋共振、磁光吸收、自由载流子吸收和激子光谱等实验研究。而“空穴”概念的提出,使得半导体中可以用电子和空穴这两种载流子来描述半导体的导电特性。正是由于这两种载流子的作用,使得晶态半导体呈现出许多异彩纷呈的特性。掺杂与缺陷是晶态半导体物理研究中的一个不可忽略的重要侧面。通过掺入不同种类的杂质可以改变其导电类型,而通过控制掺入杂质数量可以显著改变其导电能力，这是晶态半导体的一个重要物理属性。以P-n结为基础的Si平面型双极晶体管和MOS场效应晶体管等半导体器件及其集成电路都是以此为有源区制作的.此外，在实际的晶态半导体中总是存在着一定数量的各种缺陷,如点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷等，它们在决定晶态半导体的许多物理性质方面起着重要的作用，特别是在控制晶态半导体中的载流子输运过程和光学特性方面尤为突出。因此，在整个20世纪50～60年代中,人们从理论和实验等方面对各种缺陷的结构性质、热力学性质、动力学性质、电子性质以及对半导体其它物理性质的影响,都进行了富有成效的系统研究。1957年由日本物理学家Esaki发现的隧道效应，是晶态半导体物理发展史上的一个科学里程碑，它开辟了研究半导体中载流子隧道贯穿输运特性的新领域.隧道效应的发现对半导体科学技术发展
所产生的贡献在于，一是它把具有特殊掺杂分布P—n结二极管的正向电流—电压特性，用量子力学的隧道效应从理论上作出了精辟说明。二是它为1969年前后由Esaki及其合作者首次提出“半导体超晶格”这一新概念，以及其后在各种半导体微结构中所出现的量子隧穿效应研究都提供了重要物理依据.
2.原子排列从有序向无序的转变—非晶态半导体物理
作为半导体物理中的一个活跃前沿，非晶态半导体物理在上世纪70～80年代初期获得了迅速发展。因为研究非晶态半导体的意义，不仅是在科学技术上能够获得大量的新材料和新器件,而且对于认识固体理论中的许多基本物理问题也会产生重要影响。与晶态半导体不同，非晶态半导体是一类无序体系，即短程有序和长程无序.对于这种结构中电子的能量状态与运动规律，不能机械地采用传统的固态电子理论研究,而必须借助于新的理论模型。为了解决这个问题,人们经过长期努力，终于找到了能够比较成功地描述非晶态半导体中电子态的理论。1958年，Anderson发表了具有开创性的《扩散在一定的无规网络中消失》的著名论文，首次明确提出了无序体系中电子的定域化概念.其后，Mott等人在深入的实验和理论研究基础上,又提出了迁移率边和带尾定域态的概念（即Mott2COF模型)，从而丰富了人们对非晶态半导体能带理论的认识与理解.由于Mott与Anderson对非晶态半导体理论研究作出的重大贡献,使他们共同荣获了1977年诺贝尔物理学奖,成为非晶态半导体物理发展中的一个重要里程碑。由于非晶态半导体在结构特性与电子性质方面与晶态半导体不同,这使得它也有着显著不同的输运性质。从20世纪70年代初期开始,人们先后用多种电学与光学测量方法,对非晶态半导体的隙态密度及其分布特征进行了测量分析，并比较系统地研究了非晶态半导体中电子漂移迁移率以及弥散性传导过程.其中,1972年由Anderson所提出的跳跃过程中电子—声子相互作用的模型，在发展无序体系中电子的跳跃式输运特性理论方面起了重要作用。关于非晶态半导体在器件的实际应用方面，在20世纪70年代前后有两个重大发展。一是1968年由Ovshinsky在硫系非晶态半导体中所发现的开关和存储效应,二是1975年由Spear等人利用SiH4的直流辉光放电技术实现的非
晶硅（α2Si)的掺杂效应。开关和存储效应的发现,首次显示出非晶态半导体在光电开关与信息存储器件应用方面的巨大威力，而α2Si的可控掺杂使其室温电导率提高了近10个数量级,从而为α2Si太阳电池和非晶硅薄膜晶体管（α2Si：HTFT）的研制开辟了新的用武之地。非晶态半导体薄膜在光电效应方面的敏感性，使它成为制备新型光电器件的自然候选者。但是，非晶态半导体的性能会因光照而发生具有亚稳的光诱导现象.因而，澄清代表光诱导现象的SW效应产生的机理和持久光电导过程的起因,成为非晶态半导体物理研究中的又一个关键问题.20世纪80年代中,人们相继提出了Si2 Si弱键断裂模型、悬挂键电荷变化模型和Si2H键断裂模型,用于解释α2Si:H中的SW效应。然而,这些模型都不能令人信服地解释SW效应的物理机制.随着实验事实的不断积累，人们逐渐认识到，SW效应不能简单地用孤立的价键构型变化来阐明,认为这种效应很有可能与由于光照引起的整个Si网络结构的改变有关.基于这样一种观点，我国学者孔光临等人首次利用“差分电容膨胀计方法”进行实验测定,发现了α2Si:H膜在光照作用下会出现体积增大的现象，认定SW效应就是这种“光膨胀”的后续效应,从而为澄清SW效应的起因提供了一个十分重要的新见解。
3。材料性质从体内向表面的转变—半导体表面物理
表面与界面物理在半导体物理研究中占据着举足轻重的地位,并且随着半导体器件尺寸的微细化、结构的低维化和性能的量子化,表面与界面在半导体异质结构和器件物理研究中所起的作用越加重要.表面和界面物理研究的最主要问题是清洁表面、真实表面和各类异质结界面的原子组态、电子结构及其对器件性能的影响。尤其是最近，随着各种固体表面上自组织生长以量子线和量子点为主的各类有序纳米结构的兴起，“人工设计表面原子结构”的研究也引起了人们的浓厚兴趣。
早在20世纪60年代初期人们就意识到，Si2MOS器件与集成电路的稳定性可能与栅氧化层中的各种界面电荷状态直接相关。但深刻揭示它们的性质、起因、对器件性能的影响以及如
何对它们进行有效地控制,并不是一件轻而易举的事情。为此,众多科学家如Grove和Deal等人通力合作，他们经过近10年的艰苦努力,终于在
1967年基本上搞清了Si2SiO2界面系统中的四种电荷的性质和起因,即可动Na+离子、固定表面电荷、快界面态与电离辐照陷阱等,并且在工艺上找到了以掺氯氧化和磷硅玻璃钝化等为主的表面钝化方法，由此使Si2MOS集成电路的稳定性得以显著提高。
Si2SiO2界面电学性质的研究使人们开始意识到表面与界面物理研究所具有的重要意义。而作为表面物理的核心内容，是表面原子结构与表面电子态的系统研究.由于半导体表面是体内原子在三维周期方向上排列的中断,这种与体内不同的原子排列方式,使它有着与体内显著不同的电子结构性质.通常，半导体表面又分两种，一种是在超高真空中获得的与理想表面相接近的表面，即清洁半导体表面。另一种则是带有很薄氧化层的、或有原子与分子吸附的实际表面，即吸附半导体表面.清洁半导体表面的研究主要集中在以Si和Ge为主的元素半导体和以GaAs和InP为主的Ⅲ-Ⅴ族化合物。
半导体方面。在这一领域的研究中，人们一方面用表面电子态理论对其电子结构进行理论计算,另一方面借助于各种电子和离子能谱等表面分析手段进行测试分析，由此获得了有关晶体表面的原子排列状态、价键组合方式以及电子能量分布等大量有用信息。而在清洁表面的研究中，通过表面热处理获得的各种再构表面,如Si（100)—（2×1)、Si（111）—（2×1)、GaAs(001)—(2×4)以及GaAs(111）-（2×2）等则是研究的重点。尤其值得一提的Si（111）—(7×7）表面，是自1959年来关于Si清洁表面研究的一个热点课题。虽然人们先后提出过各种模型,用于解释该表面的原子结构，但都未能给出一幅清晰的物理图象。直到1985年,日本的Takayanagi在前人工作的基础上,利用透射电子衍射提出了“配位-外加原子-层错”（DAS）模型,才第一次比较成功地解释了Si（111）—（7×7）的表面原子结构，这是在表面再构问题研究中取得的一个显著进展。20年后的今天,我们不仅对各类再构表面原子结构已经有了一个比较
清楚的物理认识，而且还可以利用高真空扫描隧道显微镜等多种表面分析手段对其进行直接观测,甚至还可以做到对其表面原子进行任意操纵。应该说，这是现代表面分析手段对半导体表面物理研究所作出的重大贡献。
吸附半导体表面有着比清洁半导体表面更丰富的研究内容,如吸附物（如原子、分子和凝聚等)的类型、起因、性质、位置和成键特性及其对表面电子结构的影响。而更为重要的是从实际应用的角度出发,研究吸附物在固体表面上所发生的反应、迁移、扩散、成核以及解吸等表面物理化学过程,这对各类超薄层微结构，如纳米薄膜、量子线与量子点或团簇等的制备具有十分重要的实际意义。事实上,目前的许多量子点微结构都是在晶格失配的表面、再构的表面、台阶的表面以及由原子或分子吸附的表面上实现的,并且已经成为晶粒尺寸趋于一致和密度分布趋于均匀的有序纳米量子点自组织化形成的一种主要工艺方法。可以预期,清洁表面与吸附表面的深入研究,必将会为各类半导超薄层微结构的生长与新型量子功能器件的制造产生重要影响。
除了表面之外，由金属-半导体接触，绝缘体—半导体接触以及由多层半导体薄膜构成的各种界面，也是半导体表面物理研究中的一个重要组成部分,例如Al2Si接触界面、过渡金属-Si界面、稀土金属—Si界面、多晶Si—Si界面以及金属-化合物半导体界面等就是一些最典型的界面。长期以来,通过人们对此所进行了大量卓有成效的实验研究,不仅使我们对各种界面处的原子排列、价键结合、界面互扩散和界面电子结构有了一个深入的了解，而且通过工艺技术的提高进一步改善了器件性能,由此大大推动了各类大规模集成电路的迅速发展.
5.体系结构从三维向零维的转变-纳米半导体物理
纳米半导体材料与物理是随着半导体超晶格研究的不断深化和纳米科学技术的急速兴起而发展起来的。作为凝聚态物理中的一个活跃分支，以量子线、量子点、纳米团簇等为主的纳米结构的研究一直是近10年来人们所跟踪的一个热点。因为对这种小量子体系进行研究不仅有重要的科学意义，而且有着巨大的应用前景。
三维量子限制效应是纳米量子点所具有的一个最重要物理性质，利用这种效应可以对各种纳米量子点结构的发光特性进行成功解释.我们不妨以硅基纳米发光材料的研究为例加以说明.1990年，英国科学家Canham利用电化学方法制备了纳米多孔硅，首次观测到了该纳米结构中的室温强光致发光现象.同年,日本学者Takagi等人实验研究了镶嵌于SiO2层中的Si纳米晶粒，发现室温下Si晶粒的发光特性强烈依存于Si晶粒尺寸。1996年,Lockwood等人实验研究了室温条件下SiO2/Si超晶格结构的光致发光特性，也显著观察到了光致发光的峰值能量随Si层厚度减小而出现蓝移的物理现象。这些纳米结构的发光特性都利用三维量子限制效应进行了合理解释。当然，由于各种Si基纳米材料结构的复杂性，不能单由上述模型进行解释.因此，我们最近提出了用于解释各种Si基纳米材料发光特性的三种重要发光模型，即量子限制效应发光、与氧相关的缺陷发光、量子限制效应—发光中心复合发光.除了Si基纳米材料之外，Ⅲ—Ⅴ族化合物量子点，如InAs/GaAs,In2GaAs/GaAs以及Ⅲ族氮化物GaN,AlGaN和InGaN等量子点的发光特性、发光机制与器件应用的研究也都取得了令人称道的重要进展。
而在量子点的输运性质研究方面,以单电子隧穿和库仑阻塞为主的单电子物理具有代表性。早在15年前的1989年，人们首先利用金属微小隧道结构观测到了该结构所具有的库仑阻塞现象.其后，各种纳米结构中的单电子现象研究和以此为基础的单电子器件的制备也相继展开。人们对此项研究的浓厚兴趣正如上所述，一是通过对其研究可以丰富和深化对低维小量子系统中电子结构和输运性质的理解,如单电子隧穿、电荷的量子化、能级的共振、电流的呈库仑台阶现象,电导的呈周期振荡特性，单电子存储以及近藤效应等。二是性能优异的单电子器件及其集成电路在未来的大容量信息存储、高速逻辑运算、复杂数据处理以及量子计算中都具有潜在的重要应用。
作为从电子体系到光子体系转变的代表,近年来光子晶体和膺带隙光子晶体的研究日趋活跃。光子晶体的诞生是由于人们希望能像控制电子一样来控制光子,类似于半导体周期性结构对电子的控制，使电子不能在禁带中存在,但可以跨禁带跃迁。证明光子晶体存在的
首例实验,是用机械钻刻方法在GaAs衬底上制备的具有面心立方结构（FCC）的光子晶体。最近，在InP衬底和Si基衬底材料上也先后试制成功了二维和三维的光子
带隙晶体。可以预期，就象半导体对电子学的贡献一样,光子晶体将会对光子学和光电子学的发展产生重要影响,或者会具有某种革命性的意义。
而作为从电子输运到自旋操作转变的研究，纳米结构中的自旋电子学也初露端倪。所谓自旋电子学是研究利用固体中电子的自旋而不是电荷来传递信息，由载流子的自旋和磁性杂质的相互作用产生了一系列的与自旋有关的效应。将它们与标准的微电子技术结合起来,为新一代量子器件的研制将会提供更好的机会和更大的发展空间.最近,纳米级自旋电子学材料取得重大进展。通过大规模系统的高精度第一原理计算,发现三个3d过渡金属硫化物的闪锌矿相具有优异的半金属铁磁性，并且其结构性能适合作成具有足够厚度的薄膜或层状材料,便于应用于纳米级自旋电子器件。最近,Koto等人在研究中出人意料地发现,自旋控制可以
通过将半导体薄膜置于一个所施加的电场中使其受到应力作用而实现。这种电子自旋的控制方法既不用磁场也不用磁性材料，因而既方便又灵活。
6。元素组成从原子向分子的转变—有机半导体物理
有机电致发光器件是当今显示器件领域的研究热点，越来越多的人们正致力于开发高性能的电致发光材料和研制高效率的器件结构。事实上，以有机半导体材料为主的电致发光材料、物性及器件应用的研究，可以追溯到上世纪60～70年代，当时有关简单有机分子晶体,如萘、蒽及并多苯的电子性质研究就已开始,并明确了分子本身的电子结构仍然大体上遗存在晶体中发挥作用。然而总体而言,这一时期中关于有机半导体等电致发光材料的研究未能取得明显进展。到了20世纪80年代，有机薄膜制备技术有了长足的进展,从而为发展有机半导体材料提供了便利条件.1987年,美国Eastman Kodak公司的Tang等人对有机电致发光进行了具有开创性的研究.他们采用由芳香族六胺的空穴输运层和Alq3(82羟基喹啉）的发射层组成的双层有机膜结构,
演示成功了高效电致发光器件，从而使有机半导体的研究开始受到化学与半导体物理学界的高度重视。
物理与化学两大学科的紧密交叉和化学家与物理学家的密切合作,使有机聚合物材料的研究呈现出令人欣慰的新面貌.剑桥大学卡文迪许实验室的弗朗德与大学化学实验室的荷尔姆斯长期合作,于1990年试制成功了第一个聚合物（聚对苯乙烯）发光二极管,由此开创了聚合物发光的新领域。近10余年来，不管是有机电致发光材料物理，还是有机电致发光器件与阵列,或是有机场效应晶体管及其相应集成电路的研究,都取得了一系列显著进展。如弗朗德利用聚合物的自组织特性将聚噻吩体系的载流子迁移率提高了5个数量级，并试制了场效应晶体管。特别是2000年Sch¨on研究组的一系列工作,使有机单晶体的研究跨上了一个新台阶.他们成功地制备了纯度较高的有机单晶体（并四苯、并五苯和C60等）,而将这些绝缘体制成场效应管，通过改变极电压来对晶态表面层进行电子或空穴掺杂。由于所掺入的电子或空穴仅限于晶体表面薄层内,从而避免了由化学掺杂引入的无序和结构畸变等不利影响。结果证实，不仅有机晶体的迁移率有了明显提高，而且还在1。7K超低温下观测到了量子霍耳效应。随后,他们又在并四苯晶体中同时掺入了电子和空穴,并通过它们的复合而发射激光,这是采用有机半导体实验的首例电致发光研究。
关于有机半导体中基础物理的研究也是令人感兴趣的课题，如有机固体分子中激子束缚能问题便是其中之一例.物理学家和化学家都采用光生电流谱和光吸收谱研究了这种材料中的激子束缚能。有人指出激子的束缚能不超过60meV，因此聚合物属于电子弱关联体系的一维半导体。而有人对聚对苯乙烯所作的研究认为,其激子束缚能为leV，因此认为是具有强电子关联的分子固体.目前,对于这一研究人们还未能取得共识。这表明我们对有机聚合物所具有的许多物理与化学性质了解的还并不太多,而且也不够深入，看来这方面的研究工作仍然任重而道远。
二．半导体物理的趋势
以上,我们从不同的角度和侧面对半导体物理50多年的发展历程进行了简单回顾。从中，我们得到了以下几点有益的启示：
1.半导体物理研究与材料、器件和工艺相结合，极大地促进了半导体科学技术的发展。半个多世纪以来，半导体与微电子技术将材料、物理、器件与工艺融为一体，四者相互促进与影响，成为完美体现当代科学技术发展的一个极好范例。新的工艺创造了新的材料，新的材料孕育着新的物理效应,基于新的效应研制成功了新型器件,而新型器件性能的提高又要求工艺技术不断改进与完善.很显然，这一良性循环的发展模式今后仍将贯穿在半导体科学技术的发展过程中.
2。半导体物理研究与低维物理、介观物理和无序体系物理等研究相结合,将进一步繁荣了凝聚态物理的发展.在当代物理学的发展中，凝聚态物理学占有极其重要的地位，研究内容可谓瀚如烟海。而以半导体超晶格、量子阱、量子线、量子点、纳米团簇、光子晶体以及自旋电子学等为主的低维物理则为凝聚态物理的研究注入了巨大活力。其研究内容之丰富，物理内涵之深刻,令人们惊叹不已。如果说凝聚态物理的蓬勃发展是得益于半导体物理，大概不会有人提出异议。
3。半导体物理研究与化学、表面科学、超高真空技术与超低温技术相结合，将有力地刺激了其它相关学科领域的发展.反过来说，半导体物理研究的进展也离不开这些相关学科的紧密配合。如有机半导体的研究是由物理学家与化学家共同携手展开的，纳米半导体的研究离不开以扫描隧道显微镜为主的先进表面分析技术的支持,而量子霍耳效应和分数量子霍耳效应则是在超低温和强磁场条件下实现的，超晶格与量子阱则是以分子束外延等为主的先进超薄层外延技术制备的。显而易见,学科的相互交叉与渗透已经成为现代科学技术发展中的一个主旋律。
回顾过去,半导体物理的研究已是硕果累累,成绩斐然,它对凝聚态物理乃至整个现代物理学的发展所产生的影响将是深刻而久远的.展望未来，半导体物理的发展又将是一片生机,前景广
阔。物理学家们的执着追求和不懈努力，将会使他们在21世纪的半导体物理发展史上谱写出更加灿烂辉煌的新篇章。
半导体物理学的前沿研究 半导体物理学是材料科学中极具活力和前景的研究领域之一。在新能源、信息技术、生物医学、光电子等领域中，半导体材料和器件发挥了重要作用。本文将从半导体材料的基础性质开始介绍，介绍半导体物理学的发展历程和前沿研究内容。 一、半导体材料的基础性质 半导体材料是介于导体和绝缘体之间的一类材料。其导电性介于金属和非金属之间，且电导率与温度有明显的负温度系数。在室温下，半导体材料的电导率较低，通常只有10^-6或更小的数量级。但在受到一定的电场或加热作用下，半导体可以生成自由电子和空穴，从而变成导体。 半导体的导电性来源于其电子结构。半导体晶体中的原子有两种类型：形成共价键的原子和形成离子键的原子。在共价键中，电子被原子核束缚而不易流动；但是在某些条件下，电子还是可以脱离原子束缚并移动。这个状态称为“激发态”，本质上是一个电子寻找其他能级的过程。一般来说，在室温下，半导体晶格中的电子处于基态，即处于低能量状态。
二、半导体物理学的发展历程 半导体物理学的发展可以分为三个阶段，从传统半导体物理学、器件物理学到现代半导体物理学和材料科学，这三个阶段的发展 轨迹各不相同，但相互联系，是人类对于材料性质、器件结构和 工艺制备的全面探索与认识。 1. 传统半导体物理学阶段 传统半导体物理学的开端可以追溯到20世纪早期，与人们对 于固体物理学的认识有密不可分的关系。该阶段的主要研究内容 包括固体物理学、空穴和电子的分布、半导体材料的禁带宽度等。在这一时期，形成了许多理论模型，如光生与热激的载流子生成 机理、太阳能电池的光伏效应等。 2. 器件物理学阶段 器件物理学阶段是20世纪50年代至60年代中期的半导体物理研究的高峰期。在这一期间，半导体器件的性能得到了显著的提
物理学的发展历程简介 按照物理学史特点，将其发展大致分期如下： ①从远古到中世纪属古代时期。 ②从文艺复兴到19世纪，是经典物理学时期。牛顿力学在此时期发展到顶峰，其时空观、物质观和因果关系影响了光、声、热、电磁的各学科，甚而影响到物理学以外的自然科学和社会科学。 ③随着20世纪的到来，量子论和相对论相继出现；新的时空观、概率论和不确定度关系等在宇观和微观领域取代牛顿力学的相关概念，人们称此时期为近代物理学时期。 1. 古代物理学时期 这一时期是从公元前8世纪至公元15世纪，是物理学的萌芽时期。无论在东方还是在西方，物理学还处于前科学的萌芽阶段，严格的说还不能称其为“学”。物理知识一方面包含在哲学中，如希腊的自然哲学，另一方面体现在各种技术中，如中国古代的科技。这一时期的物理学有如下特征：在研究方法上主要是表面的观察、直觉的猜测和形式逻辑的演绎；在知识水平上基本上是现象的描述、经验的肤浅的总结和思辨性的猜测；在内容上主要有物质本原的探索、天体的运动、静力学和光学等有关知识，其中静力学发展较为完善；在发展速度上比较缓慢，社会功能不明显。这一时期的物理学对于西方又可分为两个阶段，即古希腊-罗马阶段和中世纪阶段。(1)、古希腊-罗马阶段（公元前8世纪至公元5纪）。主要有古希腊的原子论、阿基米德（公元前287-公元前212）的力学、托勒密（约90-168）的天
文学等。(2)\中世纪阶段（公元5世纪至公元15世纪）。主要有勒·哈增,约965-1038）的光学、冲力说等。 2. 近代物理学时期 又称经典物理学时期, 这一时期是从16世纪至19世纪，是经典物理学的诞生、发展和完善时期。物理学与哲学分离，走上独立发展的道路，迅速形成比较完整严密的经典物理学科学体系。这一时期的物理学有如下特征：在研究方法上采用实验与数学相结合、分析与综合相结合和归纳与演绎相结合等方法；在知识水平上产生了比较系统和严密科学理论与实验；在内容上形成比较完整严密的经典物理学科学体系；在发展速度上十分迅速，社会功能明显，推动了资本主义生产与社会的迅速发展。这一时期的物理学又可细分为三个阶段。 (1)草创阶段（16世纪至17世纪）。主要在天文学和力学领域中爆发了一场“科学革命”，牛顿力学诞生。(2)消化和渐进阶段（18世纪）。建立了分析力学，光学、热学和静电学也取得较大的发展。(3)鼎盛阶段（19世纪）。相继建立了波动光学、热力学与分子运动论、电磁学，使经典物理学体系臻于完善。 3. 现代物理学时期 这一时期是从19世纪末至今，是现代物理学的诞生和取得革命性发展时期。物理学的研究领域得到巨大的拓展，实验手段与设备得到前所未有的增强，理论基础发生了质的飞跃。这一时期的物理学有如下特征：在研究方法上更加依赖大规模的实验、高度抽象的理性思维和国际化的合作与交流；在认识领域上拓展到微观与宇观和接近
基本概念题： 第一章半导体电子状态 1.1 半导体 通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，其导带在绝对零度时全空，价带全满，禁带宽度较绝缘体的小许多。 1.2能带 晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。 1.2能带论是半导体物理的理论基础，试简要说明能带论所采用的理论方法。 答： 能带论在以下两个重要近似基础上，给出晶体的势场分布，进而给出电子的薛定鄂方程。通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系，从而系统地建立起该理论。 单电子近似： 将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑，这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。 绝热近似： 近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换，而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。 1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法 答案： 克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型，如下图所示 利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式，进而确定波函数并给出E-k关系。由此得到的能量分布在k空间上是周期函数，而且某些能量区间能级是准连续的（被称为允带），另一些区间没有电子能级（被称为禁带）。从而利用量子力学的方法解释了能带现象，因此该模型具有重要的物理意义。 1.2导带与价带 1.3有效质量 有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。它概括了周期性势场对载流子运动的影响，从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。其大小由晶体自身的E-k
一、半导体物理的发展历程 半导体物理是凝聚态物理领域中的一个活跃分支,也是半导体科学技术发展的重要物理基础。半个多世纪以来,半导体物理自身不仅在晶态半导体、非晶态半导体、半导体表面、半导体超晶格、纳米半导体和有机半导体等领域中都获得了令世人瞩目的重大进展,而且它还是一系列新材料、新结构、新效应、新器件和新工艺产生的源泉,极大地丰富了凝聚态物理的研究内容和有力地促进了半导体科学技术的迅速发展。温故而知新。今天,我们重新认识它的发展规律与特点,对于把握半导体物理在21世纪的发展走向具有直接的现实指导意义。 （一）半导体物理早期发展阶段 20世纪30年代初，人们将量子理论运用到晶体中来解释其中的电子态。1928年布洛赫提出著名的布洛赫定理，同时发展完善固体的能带理论。1931年威尔逊运用能带理论给出区分导体、半导体与绝缘体的微观判据，由此奠定半导体物理理论基础。到了20世纪40年代，贝尔实验室开始积极进行半导体研究，且组织一批杰出的科学家工作在科学前沿。1947年12月，布拉顿和巴丁宣布点接触晶体管试制的成功。1948年6月，肖克利研制结接触晶体管。这三位科学家做出杰出贡献，使得他们共同获得1956年诺贝尔物理学奖。 晶体管的发明深刻改变人类技术发展的进程与面貌，也是社会工业化发展的必然结果。早在20世纪30年代，生产电子设备的企业希望有一种电子器件能有电子管的功能，但没有电子管里的灯丝，这因为加热灯丝不但消耗能量且要加热时间，这会延长工作启动过程。因此，贝尔实验室研究人员依据半导体整流和检波作用特点，考虑研究半导体能取代电子管的可能性，从而提出关于半导体三极管设想。直到1947，他们经反复实验研制了一种能够代替电子管的固体放大器件，它主要由半导体和两根金属丝进行点接触构成，称之为点接触晶体管。之后，贝尔实验室的结型晶体管与场效应晶体管研究工作成功。20世纪50年代，晶体管重要的应用价值使半导体物理研究蓬勃地展开。到了20世纪60年代，半导体物理发展达到成熟和推广时期，在此基础上迎来微处理器与集成电路的发明，这为信息时代到来铺平道路。1958年，安德森提出局域态理论，开创无序系统研究新局面，这也为非晶态半导体物理奠定基础。1967年，Grove等人对半导体表面物理研究已取得重要进展，并使得Si-MOS集成电路稳定性能得以提高。1969年，江崎与朱兆祥提出通过人工调制能带方式制备半导体超晶格。正是在半导体超晶格研究中，冯·克利青发现整数量子霍尔效应。在1982年，崔琦等发现了分数量子霍尔效应，这一系列物理现象的发现正揭开现代半导体物理发展序幕。 （二）半导体超晶格物理的发展 建立半导体超晶格物理是半导体的能带理论发展的必然。之后，人们对各种规则晶体材料性能有相当认识，从而开创以能带理论作为基础的半导体物理体系，也借助其来解释出现的一系列现象。1969年与1976年的分子束外延和金属有机物化学汽相沉积薄膜生长技术正为半导体科学带来一场革命。随微加工技术的逐步发展，加之超净工作条件的建立，实现了晶体的低速率生长，也使人们能创造高质量的异质结构，同时为新型半导体器件设计及应用奠定技术基础。1969年，江崎和朱兆祥第一次提出“超晶格”概念，这里“超”的意思是在天然的周期性外附加人工周期性。1971年，卓以和利用分子束外延技术生长出第一个超
1956年诺贝尔物理学奖——晶体管的发明 1956年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州景山（MountainView）贝克曼仪器公司半导体实验室的肖克利（William Shockley，1910—1989）、美国伊利诺斯州乌尔班那伊利诺斯大学的巴丁（JohnBardeen，1908—1991）和美国纽约州缪勒海尔（Murray Hill）贝尔电话实验室的布拉坦（Walter Brattain，1902—1987），以表彰他们对半导体的研究和晶体管效应的发现。 晶体管的发明是20世纪中叶科学技术领域有划时代意义的一件大事。由于晶体管比电子管有体积小、耗电省、寿命长、易固化等优点，它的诞生使电子学发生了根本性的变革，它拨快了自动化和信息化的步伐，从而对人类社会的经济和文化产生了不可估量的影响。 应该指出，晶体管效应的发现是科学家长期探索的结晶，更是基础研究引向应用开发的必然成果。半导体的研究可以追溯到19世纪，例如，1833年法拉第曾经观察过某些化合物（例如硫化银）电阻具有负温度系数。这是半导体效应的先声。1874年，布劳恩（F.Braun）注意到金属和硫化物接触时有整流特性，而1876年亚当斯（W.G.Adams）等人发现光生电动势。1883年，弗利兹（C.E.Fritts）制成第一个实用的硒整流器。无线电报出现后，矿石作为检波器被广泛应用，主要成分是硫化铜，后来用上了硅和锗。氧化铜整流器和硒光电池的商品化，要求科学家深入研究有关现象的实质和原理。 1926年，索末菲用费米-狄拉克统计解释了金属中电子的行为。他的学生布洛赫（F.Bloch）研究晶体点阵对电子运动的影响，提出在周期性势场中电子占据的能级可能形成能带。1931年A.H.威耳逊（A.H.Wilson）进一步对固体提出
半导体物理学发展 半导体物理学是研究半导体材料和器件特性以及其应用的学科。自 从20世纪初半导体材料的发现以来，半导体物理学一直处于持续发展 的状态。它对现代电子技术和信息技术的进步做出了不可磨灭的贡献。本文将探讨半导体物理学的发展历程，以及在各个领域的应用。 一、半导体物理学的起源 半导体物理学的起源可以追溯到20世纪初叶的半导体材料的发现。在当时，物理学家们发现了一种具有介于导体和绝缘体之间电导率的 物质，即半导体。这引发了物理学家们对这种特殊材料性质的广泛研究。早期的研究主要集中在半导体的基本物理现象和特性上，如载流 子的产生与注入、载流子的输运等。 二、半导体物理学的发展历程 随着科学技术的进步和人们对电子技术和信息技术的需求增加，半 导体物理学的研究逐渐深入。下面将介绍半导体物理学发展的几个重 要阶段。 1. 固态物理学与半导体物理学的结合 20世纪30年代，固态物理学的发展为半导体物理学的研究奠定了 基础。固态物理学的概念和理论为解释半导体材料的性质和特性提供 了新的思路。固态物理学研究中的晶格结构、声子振动等概念和理论 对半导体物理学的研究产生了深远影响。
2. PN结的发现与半导体器件的崛起 20世纪40年代，物理学家发现在两种不同类型的半导体材料相接处形成的PN结具有特殊的电学性质，这是现代半导体器件的基础。PN结的发现使得半导体器件技术有了实际应用的可能性，拉开了半导体器件研究的序幕。逐渐出现了PN结二极管、晶体管等基础元件。 3. 集成电路技术的突破 20世纪60年代，由于微电子技术的快速发展，半导体物理学迎来了一个重要的突破口——集成电路技术的诞生，这是半导体物理学最具里程碑意义的发展之一。集成电路技术的出现使得电子元器件的尺寸变得更小，电路功能更强大，进而推动了电子技术的蓬勃发展。 4. 新材料的应用和研究 近年来，随着纳米科技和先进材料的不断发展，半导体物理学的研究重心逐渐转向新材料和纳米尺度的半导体器件。石墨烯、氮化硅等新材料的应用为实现更高性能和更低功耗的电子器件提供了新的可能性。 三、半导体物理学的应用领域 半导体物理学的发展不仅为电子技术和信息技术的进步提供了理论和实验基础，而且在各个领域都有广泛的应用。以下将介绍几个典型的应用领域。 1. 通信技术
半导体物理学的发展 随着现代科技的发展，人类的生活方式也得到了极大的改变，这其中半导体技术功不可没。半导体物理学是研究半导体材料、器件、电子结构、光学性质以及其它物理现象的一个学科。本文将从半导体理论的开端开始，介绍半导体物理学的发展历程，以及未来它可能带来的应用前景。 半导体理论的开端 19世纪后期，克鲁兹和赫茨在研究光电效应的过程中发现，金属表面经过紫外线照射后会排出一些电子，这个现象被称为光电效应。这个现象的发现证明了电子具有粒子性和波动性，为电子学的兴起奠定了基础。 1900年，普朗克发现了黑体辐射中的能量量子化现象，这一发现奠定了量子力学基础，随之而来的是量子力学的飞速发展。 20世纪初叶，物理学家开始研究电子在晶体中运动的规律。瑞典物理学家玻尔和德布罗意分别发现了玻尔模型和德布罗意波，这些理论被认为是半导体物理学发展的基础。
半导体物理的研究 半导体的发现 20世纪初叶，有一些物理学家在研究固体物质的电导率时发现，某些材料的电导率随温度升高而升高，而另一些材料的电导率随 温度升高而下降。这些材料被称为半导体。 半导体物理的理论 20世纪30年代初，几位科学家开始研究半导体的特性。丹纳 提出了半导体材料中电子行为的几个假设，这些理论被称为丹纳 模型。该模型解释了在半导体中电子的行为，并形成了半导体物 理的基础。 然而，丹纳模型存在一些局限性，无法解释某些实验现象。1950年代初，肖克利和普兰特提出了PN结理论，极大地推动了 半导体物理的发展。PN结是由不同类型半导体材料接触形成的， 可用于制造半导体二极管和其他器件。
半导体技术的应用 半导体技术在电子工业和无线通信行业得到广泛应用。今天，半导体器件是现代电路和电子设备的基础，如手机、计算机、电视等。半导体技术的应用还包括太阳能电池板、发光二极管、半导体激光器、传感器和医疗设备。 半导体技术的未来 半导体技术的发展前景非常广阔。随着人工智能技术的进步和互联网的普及，协处理器、GPU、FPGA等硬件设备的需求会越来越大，而这都离不开半导体技术。 另外，半导体技术在电池、太阳能电池、照明、智能家居等领域也有着巨大的潜力。半导体物理学的研究也将继续深入，进一步推动半导体技术的发展，让它服务于更多领域。 结语
二极管的发展历程 早期二极管的发展历程可以追溯到19世纪末，当时科学家发 现在特定的材料中，电极之间存在明显的非线性电导特性。这一现象的最早的实际应用是调查无线电射线管（充当整流器），该装置发明于1904年的英国科学家J.A. Fleming。 1907年，美国发明家Lee De Forest从Fleming的二极管设计 中进行了改进，他新增了一个栅格电极来控制电子流。这一改进将这种装置命名为“三极管”或“真空管”，并在无线电通信技 术的早期应用中扮演了重要角色。然而，真空管有许多不便之处，如功耗高、易损坏和体积笨重等。 1920年代末和1930年代初，科学家们开始探索利用半导体材 料制造具有二极性导电性质的装置。最早的半导体二极管使用的材料是硒化铜和金属硅石墨。尽管这些早期器件在极性和电流方面存在一些问题，但它们为后来半导体器件的发展奠定了基础。 20世纪40年代，在德国、美国和其他一些国家的科学家的努 力下，硅和锗等材料的纯净性得到了极大的改善和提高。这为半导体二极管的进一步研究和发展创造出了条件。1947年， AT&T实验室的Bardeen、Brattain和Shockley共同发现了半 导体材料的表面极化现象，并成功制造出了第一个实用的半导体二极管。这一发现被认为是固态电子学的重大突破，也为类似技术的快速发展奠定了基础。 1950年代，由于对半导体物理和材料的更深入研究，二极管
的性能和稳定性得到了极大提高。研究人员发现了更多的半导体材料，如砷化镓和磷化硼等，这些材料拥有更好的电导特性。此外，新的制造工艺和技术的引入，如扩散、气相外延和离子注入等，使得制造更精确、可靠的二极管成为可能。 1960年代至今，随着集成电路和半导体技术的不断发展，二 极管的应用得到了广泛扩展。从晶体管到整流、放大、开关等特定功能的二极管，不断涌现出更多种类和功能更强大的器件。此外，新材料和新结构的研究也为二极管的进一步改进和创新提供了可能。 总的来说，二极管作为一种基本的电子器件，经历了从真空管到半导体器件的演变过程。通过不断的研究和改进，二极管不仅在无线电通信领域发挥着重要作用，而且在计算机、电力电子、光电子和其他众多领域也扮演着重要角色。
我国半导体技术发展过程中的知名科学家的重要贡献 一、引言 半导体技术的发展是现代信息技术的基础，对于一个国家的科技实力和经济发展具有重要的意义。我国在半导体技术领域取得了长足的发展，许多知名科学家为我国半导体技术的研究和发展做出了重要贡献。本文将对我国半导体技术发展过程中的知名科学家的重要贡献进行全面、详细、完整、深入地探讨。 二、相关科学家及其重要贡献 2.1. 冯如海 冯如海是我国半导体学科的奠基人之一，也是我国第一代半导体科学家。他在20 世纪50年代开始从事半导体材料及器件的研究，提出了半导体的能带理论和pn结的原理，为我国半导体技术的发展奠定了基础。 2.2. 姚期智 姚期智是我国著名的物理学家，也是半导体领域的重要科学家之一。他在20世纪 70年代开始从事GaAs半导体材料和器件的研究，在分子束外延生长技术方面取得 了重要突破，为我国半导体产业的发展做出了巨大贡献。 2.3. 杨嘉墀 杨嘉墀是我国半导体技术的奠基人之一，也是我国第一代半导体器件工艺技术人员。他在20世纪60年代初，独立研发了硼化硅隔离工艺，解决了半导体集成电路的互连问题，为我国半导体制造技术的发展做出了重要贡献。 2.4. 华罗庚 华罗庚是我国著名数学家，也是我国半导体物理学的奠基人之一。他在1954年提 出了式量子力学的概念，为我国半导体物理学的研究提供了新的理论基础，推动了我国半导体技术的发展。
2.5. 陈省身 陈省身是我国著名的物理学家，也是我国半导体物理学的杰出代表之一。他在20 世纪50年代开始从事半导体材料和器件的研究，在硅微电子领域取得了重要进展，为我国半导体技术的发展作出了重要贡献。 三、结论 我国半导体技术的发展得益于一批杰出的科学家的重要贡献。冯如海、姚期智、杨嘉墀、华罗庚和陈省身等科学家在半导体物理学和工艺技术方面的研究中取得了重要成果，推动了我国半导体技术的飞速发展。他们的贡献不仅为我国当代科学发展作出了杰出贡献，也为我国经济的快速发展奠定了坚实基础。今后，我们应该继续加强对半导体技术的研究，培养更多的科学家，为我国的半导体产业发展做出更大的贡献。 参考文献 1.张亚勤. 中国半导体科技发展历程与未来的趋势[J]. 重庆邮电大学学报(社 会科学版), 2016(2):146-152. 2.赵馨予, 张孝治. 冯如海对清华大学半导体学科建设的贡献[J]. 科技传播 研究, 2012(07):85-86. 3.翟文博, 熊定会, 王曙东, 等. 我国GaAs/GaAsSb异质结面稳定性的分子束 外延生长研究[J]. 中国科学:物理学力学天文学, 2016(01):011044.
物理学中的半导体物理与光电器件研究 在二十世纪初期，半导体物理学在物理学领域产生了重大的影响。而通过不断地研究和不断地探索，人们在世纪中期终于开发 出了半导体器件。这些器件在我们的日常生活中随处可见：光电 子器件、计算机芯片、发光二极管等等。在这篇文章中，作者将 深入探讨半导体物理学的基础知识和光电器件的发展历史。 物理学中的半导体物理是研究固体材料的物理学，包括金属、 半导体和绝缘体。而此处我们特指半导体的物理学。半导体是指 材料的电导率介于好导体和差导体之间的物质，例如硅(Si)和锗(Ge)等元素，以及化合物半导体如砷化镓(GaAs)、胆碱化镓(InAs)等。半导体物理学涉及到电子、空穴在材料内的定义、行为以及 行为成因的研究。 在半导体物理学中，电子的能量与材料的电子能带是密不可分的。对于电子能带，简单地说，是这样一种情况：在固体中，原 子原本处于分立的状态，但当它们靠近彼此时，原子中的电子波 函数就会发生变化，会产生形态转变，生成一个连续的电子能带。而对于能量最高的那个电子能带叫做价带（valence band），而那 个能量最低的电子能带叫做导带（conduction band），二者中间还 有个能量差叫做能隙（band gap）。在价带中的电子能随着温度和 施加电场的变化而运动，但不能进入导带。在导带里的电子可以 通过传导电流的方式流动，也就是说导带中的电子是那些能参与
与外部电路接触的电子（载流子）。在半导体中，因为能隙的存在，导带中的载流子只能通过光子或热激发的方式被激发到导带中，产生电流。 早期的半导体器件主要是由两个区域（P型和N型）的半导体 材料构成的。其中，P型半导体和N型半导体是由加速少子和掺 引进某些离子而形成的。P型半导体中的杂质原子能够失去电子，从而生成空穴。N型半导体中加入的杂原子可以增加自由电子的 数量，从而使导电性增加。两个层把单片半导体放在一起，就形 成了PN结，可用于制作二极管。而通过在PN结上加上一个反向 电压，可以把二极管制作成开关器件。在这种器件中，当反向电 压达到一个特定电压时，二极管就会进入截止状态。而在截止状 态下，二极管不能通过电流。而当正向电压被施加时，二极管就 会开始导电。这使得二极管成为数字电路的基础组件。但在这些 早期设备中，半导体仅仅用于制备整流器和开关。 随着时间的推移，人们对半导体器件进行了更深入的研究与探索。半导体器件的发展历程非常丰富。其中最重要的就是光电子 器件，如发光二极管（LED）和激光二极管（LD）。发光二极管（LED）是一种能够将电能转化为光能的半导体器件。LED的发 明是20世纪60年代的一项重大突破。将LED连接成数字显示器 和液晶显示器，开辟了一些令人惊讶的应用，我们现在习以为常，
半导体物理学 半导体物理学是现代电子技术的基础学科之一，它研究的是半导体 材料的电子特性和行为，以及半导体器件的原理和性能。在当今科技 发展迅猛的时代，半导体物理学扮演着重要的角色，推动了信息技术、通信技术、能源技术等领域的发展。本文将简要介绍半导体物理学的 基本概念、发展历程以及应用前景。 一、半导体物理学的基本概念 半导体是介于导体和绝缘体之间的一种材料。在半导体中，电子的 能带结构存在禁带，导电主要依赖于外界激励和掺杂元素带来的电子 跃迁。通过半导体材料特有的电子输运特性和界面现象，可以制造出 各种半导体器件，如二极管、晶体管等。半导体物理学的研究关注半 导体材料中电子与晶格相互作用、半导体器件的电子输运和器件特性 等多个方面。 二、半导体物理学的发展历程 半导体物理学的起源可以追溯到19世纪末的研究工作。然而，直 到20世纪中叶，半导体物理学才开始迅速发展。1956年，威廉·肖克 利和沃尔特·布拉丁等科学家提出了“半导体器件特异性”的概念，并在1958年发表了关于半导体二极管的相关研究，为半导体物理学的进一 步深入奠定了基础。之后，随着集成电路技术的崛起，半导体物理学 迎来了更为广泛的研究和应用领域。 三、半导体物理学的应用前景
半导体物理学的发展推动了信息技术、通信技术、能源技术等领域 的快速进步。在信息技术方面，半导体器件比如晶体管的诞生和发展，极大地提升了计算机、手机和其他电子设备的性能。在通信技术方面，半导体材料的光电转换特性使得光纤通信成为可能，并实现了高速、 长距离的数据传输。在能源技术方面，半导体材料在光伏电池、热电 材料等领域的应用有很大潜力，可以帮助提高能源转换效率和利用可 再生能源。此外，半导体物理学还在生物医学、环境监测等领域发挥 着重要的作用。 综上所述，半导体物理学作为一门基础学科，对现代科技的发展起 到了重要的推动作用。通过对半导体材料和器件的研究，我们得以更 好地理解电子行为和电子器件原理，并将其应用于各个领域，推动了 社会的进步和发展。相信在未来，半导体物理学仍然会持续发展，并 为我们带来更多的技术创新和科学突破。
半导体物理学的现状与前沿随着电子信息技术的迅速发展，人们对半导体物理学的研究越来越深入，半导体器件的制造水平和性能也在不断提高。当前，半导体物理学已成为电子科学的重要分支，其发展也伴随着人类的创新和进步。本文将从半导体物理学的发展历程、研究方法、前沿领域等方面，系统地探讨半导体物理学的现状和前沿。 一、发展历程 半导体物理学起源于20世纪初的金属半导体接触研究。1922年，德国科学家福克斯(W. Schottky)通过实验证明，金属与半导体接触后，表面的固有电场会影响电流的流动，从而改变了电子的能量状态，从而形成空穴与电子对。此后，大量的研究者开始关注半导体材料中的电子状态与特性，这也标志着半导体物理学的诞生。 40年代末期和50年代初期，由于电子器件的需求，半导体物理学得到了快速发展。人们发现，在两个半导体材料之间构成的“p-n结”，能够有效地控制电流大小和方向，从而诞生了晶体管、集成电路等众多的电子器件，这也开启了半导体物理学的黄金时代。此后，半导体器件的发展也越来越受到关注，研究者们也通
过各种实验和模拟研究，不断深入探究半导体材料的物理现象与机理，取得了一系列重要的科研成果。 二、研究方法 随着科技水平的提高，半导体物理学的研究方法也变得更加多样化和复杂化。目前，研究者们主要采用以下几种方法进行半导体物理学的研究： 1.实验研究 实验研究是半导体物理学研究的最基本方法，也是验证理论模型的最直接手段。实验研究通常采用样品制备、测试仪器、实验方法和数据分析等技术手段，来探究半导体的结构、能带结构、载流子的能态等物理性质。例如，利用各种手段观察激光在半导体中的传输、扩散和发射，揭示了半导体激光的本质和机理等问题。 2.计算模拟研究
半导体物理的研究进展 从十九世纪开始，人们就开始研究半导体的发展，到目前为止半导体的研究已经在当代物理学和相关学科领域的发展中都占据非常重要的地位。半导体物理学是凝聚态物理学科的一个分支学科，同时也是现代微电子器件工艺学的一个理论核心内容。半导体不仅在理论方面具有非常的物理内涵，而且它的性能也具有很大的发展前景。随着半导体的不断发展，半导体新材料渐渐地取代了很多的传统的一些物理器件，其中具有非常重要影响作用的包括一些晶体管和一些集成电路，都是半导体电子器件发展的鲜明标志。现代科学技术的突飞猛进也带动半导体学科领域的快速发展，并且不断拓宽半导体在往一个新的高度和水平发展。很多的科学家在研究和探讨半导体物理学的发展规律的时候，也深刻地掌握了半导体科学的技术，掌握着时代发展的一个发展趋势。半导体物理的发展对于现实应用方面也存在重大的意义，不断提高生产力的发展和相关技术领域的创新发展工作。本文主要是对于半导体物理发展的进展做一个评述，通过晶体管的发明过程、半导体超晶格物理的发展以及半导体纳米量子器件的研究进展，展望了新型半导体纳米材料的发展前景，并且通过对半导体物理学的发展历程为依据深入研究其发展规律和特点。 标签：半导体；超晶格；物理 0 引言 我国的信息产业已经发展成为国民经济的重要支柱之一，同时信息产业的快速发展也在不断推进器件制造和软件开发的快速发展。但是信息产业的发展中不断有一些新原理和新功能的器件制造很大程度上面还是依赖于半导体物理的研究与发展。现在很多的发达国家和地区都在半导体物理领域投入大量的资金和人力资源进行半导体物理的研究和创新，这样的一个市场状态也加剧了每个国家的竞争程度，因为半导体物理的发展能够为社会发展、人们的生活和国家的安全带来很大的帮助和促进作用。 半导体是属于物理学方面的一个新领域，它的发展历史比较短，是在四十年代以后才发展起来的一个新领域。在本个世纪初期的时候，人们对于半导体还是不了解的，人们只是知道金属具有很好的导电性，生活中常用的金属如：铝和铜这些导电材料；同时和金属材料的导电性相反的一些材料也就是绝缘体，绝缘体的导电性非常差，绝缘体主要有一些橡胶或陶瓷等材料，这些材料在生活应用当中用的比较多；半导体的导电性就是介于导体和绝缘体之间的一种物质，而半导体的导电性就是介于这两者之间的，例如物理试验中经常用到的硅和锗等物质，这些半导体材料在工业应用上面还是不很多。 1 半导体物理的早期发展 在十九世纪七十年代早期的时候，一种叫做栖的半导体材料被人们发现，这种半导体材料具有很多的光电性能，并且通过对于这种半导体材料进行了大量的
半导体材料的发展和应用前景近年来，半导体技术迅猛发展，成为推动世界科技进步的重要力量。半导体材料是制造各种电子产品所必需的关键元素，其应用范围广泛，包括电子计算机、通讯设备、显示器和发光二极管等。本文将从半导体材料的发展历程、现状和未来前景三个方面探讨半导体材料的发展和应用前景。 一、半导体材料发展历程 半导体材料的历史可以追溯到早期的矿物晶体和硫化铜。19世纪末，人们开始系统地研究半导体物理现象，例如光电效应和电导率的依赖关系。20世纪20年代和30年代，半导体物理学得到了快速发展。1950年代，贝尔实验室、德州仪器公司、杜邦公司等公司相继研制出硅晶体管。60年代，半导体技术以惊人的速度发展，第一代大型集成电路IC横空出世。70年代，发明了第一种光电转换器件：太阳电池。80年代，半导体材料应用领域进一步拓宽，例如成像器件、CCD摄像器件、LED发光器件等。 二、半导体材料现状
如今，半导体材料应用范围广泛，并且不断创新。由于其运动电荷易受光、电子、声波作用影响等特点，半导体材料制成器件则具有适合电子级操作、高速调制、轻薄短小等优点。半导体材料可以制成半导体晶体、半导体光电转换器件、半导体二极管和场效应晶体管等各种电子器件，广泛应用于计算机、电子通讯、磁盘存储、交通运输、医疗、能源等众多领域。例如，计算机芯片中的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和电容器领域中使用的储能单元都采用半导体材料制造。 在电子产品中，半导体材料应用场景更多。例如，LED发光二极管作为一种可靠、高效、环保、长寿命的照明产业替代品已经展现出巨大的应用前景；高清电子屏采用液晶阵列制成，可以使用半导体材料进行背光；智能手机使用的触控屏幕是由半导体压敏电阻制成的等等。 三、半导体材料未来前景 未来，半导体材料在能源领域、新物质领域、信息处理领域和制造业领域等都有广阔的应用前景。
823半导体物理与集成电路基础 摘要： 一、半导体物理与集成电路基础概述 1.半导体物理的基本概念 2.半导体材料及其特性 3.集成电路的发展历程 4.集成电路的分类与结构 二、半导体物理的基本原理 1.能带理论 2.载流子浓度与迁移率 3.半导体电学特性 4.半导体光学特性 三、集成电路的制作工艺 1.半导体材料制备 2.半导体器件制作 3.集成电路设计 4.集成电路封装 四、集成电路的应用领域 1.计算机与通信设备 2.消费电子设备 3.工业控制与医疗设备
4.新能源与智能交通 正文： 半导体物理与集成电路基础是现代电子技术的基础，涵盖了半导体物理的基本概念、原理以及集成电路的制作与应用。半导体物理研究半导体的电学、光学等性质，为集成电路的设计与制造提供理论依据。集成电路则将半导体物理的原理应用于实际，制作出各种功能强大的电子器件。 半导体物理的基本概念包括能带理论、载流子浓度与迁移率、半导体电学特性和光学特性。能带理论描述了半导体中电子的能量与动量关系，揭示了半导体导电的物理本质。载流子浓度与迁移率则是描述半导体导电性能的重要参数。半导体电学特性包括其电阻、电容和击穿特性等。半导体光学特性则涉及到其对光的吸收、发射以及光电器件的性能。 集成电路的制作工艺包括半导体材料制备、半导体器件制作、集成电路设计和封装。半导体材料制备需要选用合适的半导体材料，如硅、锗等，并将其制成单晶，然后进行切片、清洗等处理。半导体器件制作则是将半导体材料制作成各种功能器件，如晶体管、电容器、电阻器等。集成电路设计是将各种器件按照一定的布局与互联方式组成电路，以实现特定的功能。封装则是将制作好的集成电路安装到外部电路板上，以便与其他器件连接。 集成电路的应用领域非常广泛，涵盖了计算机、通信设备、消费电子、工业控制、医疗设备以及新能源和智能交通等领域。计算机与通信设备是集成电路最主要的应用领域，几乎所有的现代电子设备都离不开集成电路。消费电子设备如手机、电视、音响等也大量采用集成电路。在工业控制与医疗设备中，集成电路的应用提高了生产效率与医疗水平。新能源与智能交通领域，如太阳
集成电路发展历史以及趋势的探讨 前言 历史上第一个晶体管于60年前—1947年12月16日诞生于美国新泽西州的贝尔实验室(Bell Laboratories)。发明者威廉·肖克利(William Shockley)、约翰·巴丁(John Bardeen)和沃尔特·布拉顿(Walter Brattain)为此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。 固态半导体(solid-state)的发明使得之后集成电路的发明成为可能。这一杰出成就为世界半导体产业的发展奠定了基础。之后的60年里，半导体技术的发展极大地提升了劳动生产力，促进了世界经济的发展，改善了人们的生活水平。 美国半导体协会(SIA)总裁乔治·斯卡利思(George Scalise)曾经说过：“60年前晶体管的发明为这个不断发展的世界带来了巨大的变革，这一历史性的里程碑式的发明，意义不容小觑。晶体管是无数电子产品的关键组成部分，而这些电子产品几乎对人类生活的各个方面都带来了革命性的变化。2007年，全世界的微电子行业为地球上每一个男人、女人和小孩各生产出9亿个晶体管—总计达6,000,000,000,000,000,000(六百亿亿)个, 产业销售额超过2570亿美元”。 回顾晶体管的发明和集成电路产业的发展历程, 我们可以看到，60年前晶体管的发明并非一个偶然事件，它是在世界一流的专业技术人才的努力下，在鼓励大胆创新的环境中，在政府的鼓励投资研发的政策支持下产生的。同时，我 们也可以看到集成电路产业从无到有并高速发展是整个业界相互合作和共同创新的结果。 1.１发现半导体技术 1833年，英国物理学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)在研究硫化银晶体的导电性时，发现了硫化银晶体的电导率随温度升高而增加这一“特别的现象”。这一特征正好与铜和其他金属的情况相反。迈克尔·法拉第(Michael Faraday)的这一发现使人们对半导体效应开始有了认识。1874年，德国物理学家费迪南·布劳恩(FerdinandBraun)在研究晶体和电解液的导电性质时发现电流仅能单方向通过金属探头和方铅晶体的接触点。费迪南·布劳恩(Ferdinand Braun)记录和描述了这一半导体二极管的“触点式整流效应”。基于这个发现，印度加尔各答大学总统学院物理学教授博斯爵士(Jagadis Chandra Bose)提出了把“半导体晶体整流器”用作探测无线电波的应用并申请了专利(1901年)。波兰出生的美国物理学家朱利叶(Julius Lilienfeld)在研究硫化铜半导体特性时，设想了一个三极半导体器件“场效应晶体管”，并在1926年提交了一项基于硫化铜半导体特性的三极放大器专利。在以后的几十年中，人们一直尝试着去制作这样的器件。半导体物理现象的发现，激发了人们对其理论上的研究。1931年，当时在德国做研究的英国剑桥大学物理学家艾伦·威尔逊(Alan Wilson)发表了用量子力学解释半导体基本特性的观点并出版了《半导体电子理论》。七年后，鲍里斯(Boris Davydov)(苏联)，莫特(Nevill Mott) (英国)和沃尔特(Walter Schottky) (德国)也独立地解释了半导体整流这一特性。 在20世纪30年代中期，美国贝尔实验室的电化学家拉塞尔(Russell Ohl)在研究用硅整流器件探测雷达信号时，发现硅整流器探测信号的能力随着硅晶体纯度的提高而增强. 并且，在1940年2月的一次实验中，拉塞尔(Russell Ohl)
中国半导体产业发展历史大事记 1947年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管，从而开创了人类的硅文明时代。1956年，我国提出“向科学进军”，根据国外发展电子器件的进程，提出了中国也要研究半导体科学，把半导体技术列为国家四大紧急措施之一。中国科学院应用物理所首先举办了半导体器件短期培训班。请回国的半导体专家黄昆、吴锡九、黄敞、林兰英、王守武、成众志等讲授半导体理论、晶体管制造技术和半导体线路。在五所大学――北京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学开办了半导体物理专业，共同培养第一批半导体人才。培养出了第一批著名的教授：北京大学的黄昆、复旦大学的谢希德、吉林大学的高鼎三。 1957年毕业的第一批研究生中有中国科学院院士王阳元（北京大学微电子所所长）、工程院院士许居衍（华晶集团中央研究院院长）和电子工业部总工程师俞忠钰（北方华虹设计公司董事长）。 1957年，北京电子管厂通过还原氧化锗，拉出了锗单晶。中国科学院应用物理研究所和二机部十局第十一所开发锗晶体管。当年，中国相继研制出锗点接触二极管和三极管（即晶体管）。 1958年，美国德州仪器公司和仙童公司各自研制发明了半导体集成电路（IC）之后，发展极为迅猛，从SSI（小规模集成电路）起步，经过MSI（中规模集成电路），发展到LSI（大规模集成电路），然后发展到现在的VLSI（超大规模集成电路）及最近的ULSI（特大规模集成电路），甚至发展到将来的GSI（甚大规模集成电路），届时单片集成电路集成度将超过10亿个元件。 1959年，天津拉制出硅（Si）单晶。 1960年，中科院在北京建立半导体研究所，同年在河北建立工业性专业化研究所――第十三所（河北半导体研究所）。 1962年，天津拉制出砷化镓单晶（GaAs），为研究制备其他化合物半导体打下了基础。1962年，我国研究制成硅外延工艺，并开始研究采用照相制版，光刻工艺。 1963年，河北省半导体研究所制成硅平面型晶体管。 1964年，河北省半导体研究所研制出硅外延平面型晶体管。 1965年12月，河北半导体研究所召开鉴定会，鉴定了第一批半导体管，并在国内首先鉴定了DTL型（二极管――晶体管逻辑）数字逻辑电路。1966年底，在工厂范围内上海元件五厂鉴定了TTL电路产品。这些小规模双极型数字集成电路主要以与非门为主，还有与非驱动器、与门、或非门、或门、以及与或非电路等。标志着中国已经制成了自己的小规模集成电路。 1968年，组建国营东光电工厂（878厂）、上海无线电十九厂，至1970年建成投产，形成中国IC产业中的“两霸”。 1968年，上海无线电十四厂首家制成PMOS（P型金属－氧化物半导体）电路（MOSIC）。拉开了我国发展MOS电路的序幕，并在七十年代初，永川半导体研究所（现电子第24所）、上无十四厂和北京878厂相继研制成功NMOS电路。之后，又研制成CMOS电路。 七十年代初，IC价高利厚，需求巨大，引起了全国建设IC生产企业的热潮，共有四十多家集成电路工厂建成，四机部所属厂有749厂（永红器材厂）、871（天光集成电路厂）、878（东光电工厂）、4433厂（风光电工厂）和4435厂（韶光电工厂）等。各省市所建厂主要有：上海元件五厂、上无七厂、上无十四厂、上无十九厂、苏州半导体厂、常州半导体厂、北京半导体器件二厂、三厂、五厂、六厂、天津半导体（一）厂、航天部西安691厂等等。