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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年布洛赫提出着名的布洛赫定理，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。
1.第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗元素（Ge）半导体材料。
作为第一代半导体材料的锗和硅，在国际信息产业技术中的各类分立器件和应用极为普遍的集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用，硅芯片在人类社会的每一个角落无不闪烁着它的光辉。
2.第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；还有一些固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体（又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。
3.第三代半导体材料主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）为代表的宽禁带半导体材料。
在应用方面，根据第三代半导体的发展情况，其主要应用为半导体照明、电力电子器件、激光器和探测器、以及其他4个领域，每个领域产业成熟度各不相同。
在前沿研究领域，宽禁带半导体还处于实验室研发阶段。
其中晶态半导体又可以分为单晶半导体和多晶半导体。
上述材料中，锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)都是单晶，是由均一的晶粒有序堆积组成；而多晶则是由很多小晶粒杂乱地堆积而成。
对于非晶态半导体，有非晶态硅、非晶态锗等，它们没有规则的外形，也没有固定熔点，内部结构不存在长程有序，只是在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列，称作短程有序。
另外，在实际应用中，根据半导体材料中是否含有杂质，又可以将半导体材料分为本征半导体和杂质半导体。
在下面的章节中将会介绍，杂质的存在将对材料的性能产生很大的影响。
二. 半导体材料的结构及其性能1.几种半导体材料的结构1.1金刚石结构型材料Si、Ge等Ⅳ族元素有4个未配对的价电子，每个原子只能与周围4个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为8个电子的闭合壳层，因此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是 4。
方向性是指原子间形成共价键时，电子云的重叠在空间一定方向上具有最高密度，这个方向就是共价键方向。
共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为109°28′，这种正四面体称为共价四面体，见图 1.2。
图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条线的方向表示共价键方向。
共价四面体中如果把原子粗略看成圆球并且最近邻的原子彼此相切，圆球半径就称为共价四面体半径。
单纯依靠图1.2那样的一个四面体还不能表示出各个四面体之间的相互关系，为充分展示共价晶体的结构特点，图1.3(a)画出了由四个共价四面体所组成的一个Si、Ge晶体结构的晶胞，统称为金刚石结构晶胞，整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成。
它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一个原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子。
金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互平移 1/4 对角线长度套构而成的。
非晶态半导体
非晶态半导体是指具有非晶结构的半导体材料，其晶体结构不规则，没有明确的晶体面向，因此也被称为无定形半导体。
这种材料具有很多优异的电学、光学、磁学和力学性质，被广泛应用于太阳能电池、光电器件、储能器件、传感器、液晶显示器等领域。
非晶态半导体的制备方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、溅射、离子注入等。
其性质与其组成元素、制备方法、处理工艺等有关。
一般来说，非晶态半导体的电阻率较低，光吸收系数高，载流子迁移率较低，易受到氧化和水分的影响，因此在使用过程中需要注意环境的控制。
当前，非晶态半导体正成为新型半导体材料的研究热点之一。
研究人员正在致力于开发更高效、更稳定的非晶态半导体材料，以满足现代电子、通信、能源等领域的需求。
同时，非晶态半导体的应用也在不断拓展，将为人们创造更多便利、高效、环保的技术产品和服务。
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