半导体材料的过去、现在和将来（１）

作者简介王占国，中国科学院院士.历任半导体所研究员，半导体材料室主任､副所长，博士生导师.研究成果先后获得国家自然科学二等奖和国家科技进步三等奖，中国科学院自然科学一等奖和中科院科技进步一､二､三等奖，何梁何利科学与技术进步奖以及国家重点科技攻关奖多项.

什么是半导体材料

物质存在的形式多种多样，有固体､液体､气体等.我们通常把导电性和导热性差或不好的材料，如金刚石､人工晶体､琥珀､陶瓷等，称为绝缘体;而把导电､导热都比较好的金属，如金､银､铜､铁､锡､铝等称为导体.可以简单地把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体.与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可.

半导体的发现

半导体的发现实际上可以追溯到很久以前.1833年，英国的巴拉迪最先发现硫化银(Ag2S)的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属.一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低的.这是半导体现象的首次发现.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.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.很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多年呢?主要原因是当时的材料不纯.没有好的材料，很多与材料相关的问题就难以说清楚.

半导体材料的早期应用

半导体的第一个应用就是利用它的整流效应作为检波器，即点接触二极管(俗称猫胡子检波器，就是将一个金属探针接触在一块半导体上以检测电磁波).除了检波器之外，在早期，半导体还用来做整流器､光伏电池､红外探测器等，半导体的四个效应都用到了.

从1907年到1927年，美国的物理学家研制成功晶体整流器､硒整流器和氧化亚铜整流器.1931年，兰治和伯格曼研制成功硒光伏电池.1932年，德国先后研制成功硫化铅､硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器，在二战中用于侦探飞机和船舰.二战时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效，英国就利用红外探测器多次侦探到了德国的飞机.

晶体管的发明

晶体管实际上是在1947年的12月23日之前发明的，当时贝尔实验室的研究人员看出了晶体管的商业价值，为写专利，保密了半年，到1947年12月23日，巴丁和布尔吞才正式公布了他们的发明，这也成为晶体管的正式发明日.他们用了一个非常简单的装置，就是在一块锗晶体上，用两个非常细的金属针尖扎在锗的表面，在一个针上加正电压，在另外一个针上加负电压，我们现在分别称之为发射极和集电极，N型锗就变成了基极，这样就形成了一个有放大作用的PNP晶体管.不久后的1948年的1月23日，肖克莱提出了一个不是点接触而是面接触式晶体管结构，后来证明这种结构才是真正有应用价值的结构.

巴丁和布尔吞公布了他们的发明后，人们的反应并不如期望的热烈.在1952年的4月，为了推广他们的这个发明，他们举办了公众听证会，邀请了美国众多做真空管的公司参加，但这些公司对半导体晶体管的意义不以为然，不是非常感兴趣.试想如果晶体管的发明得到了成功应用，那么真空管就会慢慢地消失了.所以从这个角度看，他们的热情不高也是可以理解的.但是科学界给予了这个发明很高的评价，1956年，巴丁､布尔吞和肖克莱三人被授予诺贝尔物理学奖.

今天看来，晶体管的发明不仅引起了电子工业的革命，而且彻底改变了我们的生产､生活方式，通信､家用电器(如音响设备､电视､空调､电冰箱和洗衣机等)､电脑､航天和航空应用等，几乎没有一样不用晶体管.

责任编辑程哲