半导体物理的研究进展

摘 要：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。

关键词：半导体；超晶格；物理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.261

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相关实验测量研究，同时通过大量实验研究的结果总结，积累起很多的实验数据结果，但是由于对这种半导体材料缺乏机理认识不清楚的现象，所以很难掌握并且有效地利用这些性能的方法，因此在实际应用的过程当中还是得不到广泛的应用，对于这方面的研究也就得不到充分的重视。

在本世纪二十年代以后，人们发明了半导体材料的检波器，这个检波器可以为半导体方面的实验研究提供很大的帮助作用。同时这些器件也为工业发展提供的一定的促进作用，但是这些器件的稳定性比较差，而且价钱也特别昂贵，在制造工艺方面还得不到有效的改进和完善，因此在实际的应用过程当中有很多的器件都因为性能比较差而被淘汰掉了，也有一些器件在长期的研究过程中并没有很大的突破，发展速度比较缓慢。

到了三十年代中期的时候，量子力学得到很好的发展，并且量子力学在固体物理方面发挥着重要的作用，量子力学的成功也象征着人们对于半导体本质方面有了一个全新的认识，并且人们能够很好地应用半导体材料。人们通过对于半导体的各方面性能的研究，能够很好地控制半导体的电学方面的性能，大大促进了半导体在固体物理学方面的发展进度。雷达技术在第二次世界大战期间得到了非常快速的发展，因为雷达需要用到很多的半导体材料，所以半导体材料在此期间突飞猛进，加速了半导体方面的飞速发展。半导体学科在理论方面具有非常扎实可靠的理论基础，对于其后半导体技术能够得到高速发展提供了坚实的理论基础，同时由于在生产实践过程中的迫切需求，这些都是使得半导体技术能够得到迅速发展和繁荣起来的原因。随着人们在半导体物理方面的研究工作不断得到重视，并且展开大量的相关实验研究工作。在1948年的时候，人们通过大量的实验和不断的努力终于发明了三极管。晶体管是一项非常重大的发明，它标志着人们在半导体方面取得了非常重大的突破和成功的一个标志。随着半导体的出现和被人们广泛地了解之后，在相关物理研究领域也掀起了一场非常大的影响，这种器件得到很多的学者和研究人员的重视。晶体管的出现标志着被人们所熟悉和应用的电子学器件真空管将要被这个体积非常小的晶体管所代替。点接触式的晶体管在刚开始被发明的时候，在性能上面依然存在很大的不足和很多的缺陷，但是这个时候就有很多人预言在电子技术领域中晶体管将要引起一场非常大的革命。尽管在刚开始的时候晶体管的方法作用不是非常明显，但是人们通过一个偶然的机会将晶体管的放大作用的机理了解的很清楚，并且利用晶体管的放大作用对于晶体管的结构方面提出了一种新的构造方案。经过人们长期的研究和探索，人们终于成功地制作出能够符合面结型晶体结构的新方案（锗合金管）。锗合金管的出现具有很重要的指导性和标志性的意义，主要表现在以下两个方面：第一方面就是锗合金管在半导体发展过程中是一个非常成功的理论指导实践的成功范例，第二方面就是锗合金管的出现标志着半导体晶体管已经能够在实际工业应用中得到广泛生产和应用。

在五十年代初期的时候，随着锗合金管的出现，半导体材料得到了前所未有的发展，特别是在锗的提纯了拉制单晶体当面有了一个质的飞跃，这项技术也对于后期锗材料各方面技术的发展和完善提供了坚实的基础。这项技术的发展不仅对于许多半导体的质量方面有所提升，同时也在相关的学科领域发展方面发挥了巨大的影响作用。由于很多半导体材料的纯度和质量得到了很大的提高，这样就更加有利于半导体物理的研究工作能够更加深入的进行研究下去，并且有了很多新的研究突破。例如，在实际研究过程中，因为半导体材料的纯度得到很大的提升，这就使得人们能够更加清楚和几率去观察到半导体中的电子或空穴的迥旋共振，并且能够进一步深入研究，使得人们能够更好地认识到半导体的能带结构。endprint

在半导体器件的发展的过程中，人们对于半导体材料的要求越来越高，并且能够根据现有的技术不断加大研究，力求创新，努力提高很多半导体材料的纯度和质量，使得半导体材料的纯度更高，更加有利于相关方面的实验研究，另一个方面就是能够不断去探索半导体方面的新材料，找到更加有研究价值和实用价值的新型半导体材料。在研究半导体提纯方面的时候，很多科学家能够通过跳跃性的思维模式，跳出以前常用的化学提纯的方法，不断追求一种更加高效和可行的物理方法来不断提高半导体材料的纯度。研究人员通过从水平的区熔提纯方法发展到无堆坍区熔提纯法，在这个研究方法的改进过程中，经历了大量的实验和提纯精度的比较，最终研究出来的一种新的提纯方法。这些材料提纯方法在生产制造方面和科学研究方面都得到了非常广泛的应用，例如在生产制造方面能够大大促进纯度很高材料的大批量生产和制造，在科研方面能够有助于相关元素的更深入的研究，以前由于纯度不够，得不到很好的实验结果，现在这些问题就可以迎刃而解了，对于现在科学技术的发展具有非常强大的推动作用。

从五十年代初期发展到现在，半导体的发展也随着技术的发展得到很快的发展带动作用，半导体材料的研究也带动了整个物理领域方面的深入研究。很多半导体发展比较先进的跨国公司，为了能够在半导体方面领先于其他的国家，能够获得更加丰厚的利润，他们在半导体物理方面投入了时间和金钱去开展一些半导体材料方面的研究和创新工作。目前半导体研究工作在固体物体领域方面已经取得了很好的成绩，并且在相关新材料的研究方面也已经有了新的突破和进展。

2 半导体新材料的研究进展

半导体新材料是目前半导体研究的主要方向之一，只有不断地去探索和发现新的材料和新材料的新性能才能够更加有利于半导体未来的发展，同时这样半导体新材料也能够为半导体新器件的开发与设计开辟了一条更加广阔的道路。超高速的逻辑器件、高性能的光电子器件以及由这些器件集成的电路系统都是当今半导体器件发展的一个大的趋势，半导体新器件的特点就是器件体积更加小型化，器件的功能更加多样化。现在很多的半导体器件很多都已经开始采用纳米结构，纳米量子器件现在已经发展成为半导体材料科学技术领域中最为先进的前沿发展领域。目前的纳米器件主要包括以下几种类型。

2.1 单电子器件与电路

单电子器件是一种利用库仑阻塞和单电子隧道穿通的一种新型半导体器件，单电子器件是利用先进的纳米量子器件研究技术，这种器件能够克服一些集成电路在物理方面的瓶颈，同时也能够提高工艺方面的要求，是创造新材料发现新特性的一条重要途径。通过人们十几年来的不懈努力，人们通过大量的实验和研究，现在科学家大部分都开始采用先进的设备制造技术来制造单电子晶体管，并且通过大量的实验测试，研究单电子晶体管在运输过程中存在的一些问题。目前单电子器件主要困难就是如何能够将单电子器件的结构形式与先进的工艺技术相结合，使得制造出来的器件能够在高温、高压等环境下工作，并且也在设计实现单电子集成电路。

2.2 石墨烯晶体管

石墨烯是由单层碳原子组成的一种薄膜，是目前世界上最薄的一种材料，它是由英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈.海姆与康斯坦丁.诺沃肖洛夫共同发现的一种新型纳米材料。石墨烯的最大特点就是内部电子的运动速度特别快，电子在石墨烯内部的运动速度比在一般的导体中运动的速度要快很多倍。电子的运动速度非常快也代表着石墨烯比其他的导体具有更好的导电性和传热性，石墨烯的内部结构也非常稳定，能够克服温度和磁场的影响。由于石墨烯材料比较薄，所以这样的材料在以后的应用过程中更加有利于一些器件的小型化，即使石墨烯被制作成这么小的器件，但是它的导电性能依旧非常好。安德烈.海姆与康斯坦丁. 诺沃肖洛夫的研究小组采用标准的晶体管工艺，在石墨烯上面用电子束来刻出相应的沟道，研制出10纳米级别的石墨烯晶体管。当石墨烯在被施加电压的情况下，量子点的导电性会发生变化，这些量子点具有像晶体管一样的逻辑状态。在以后的发展过程中，石墨烯有可能会替代掉硅，因此石墨烯的传输速度远远超过了硅晶体管，同时石墨烯的各项性能都非常好，速度特别快，并且非常有希望能够被应用在超级计算机的应用研发当中。现在很多专家大部分都认为未来的石墨烯将要取代硅，如果到那个时候将会引发起一场非常巨大的电子工业革命。

3 结论

随着半导体行业的快速发展，各个国家都已经开始重视对于半导体物理的发展和研究，半导体新材料的发现与应用将对于一个国家产生非常重要的影响。同时半导体新材料主要还是发源于社会的需求，半导体新材料也将对于社会发展提供一个有力的导向作用。随着科学的发展和社会的需求共同作用，使得半导体物理的发展更加的快速，半导体材料新技术的发展主要是依靠科学技术的研究和探索，但是离不开社会需求的潜在推动作用。因为随着社会的发展，人们生活水平的提高，半导体新材料应用的领域也越来越广泛，只有通过有效的利用好科学技术的发展推动力和更加强烈的社会生产工业的需要，才能够科技研究技术更好地应用到生活生产过程中，充分发挥出科学技术对于社会的重要推动和促进作用。只有充分协调好学术界与社会的关系，将学术与产业相结合，才能够更好更快地推动社会的发展，并且能够加快半导体技术的突破与创新，更好的带动整个社会的快速发展。

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作者简介：吴化楠（1982-），男，辽宁营口人，学士学位，讲师，主要研究方向：物理学。endprint