半導體材料的發展史及材料性能分析

　　現代世界里，沒有人可以說自己跟“半導體”沒有關系。半導體聽起來既生硬又冷冰冰，但它不僅是科學園區里那幫工程師的事，你每天滑的手機、用的電腦、看的電視、聽的音響，里面都有半導體元件，可以說若沒有半導體，就沒有現代世界里的輕巧又好用的高科技產物。

　　半導體的重要性不可言喻，甚至被譽為世界上第 4 大重要發明。美國《大西洋月刊》曾找來科學家、歷史學家、技術專家為人類史上的重大發明排名，半導體名列第 4，排在前面的分別是印刷機、電力、盤尼西林。

　　而提到半導體，就不得不提到半導體的基礎——材料。

　　在二十世紀的近代科學，特別是量子力學發展知道金屬材料擁有良好的導電與導熱特性，而陶瓷材料則否，性質出來之前，人們對于四周物體的認識仍然屬于較為巨觀的瞭解，那時已經介于這兩者之間的，就是半導體材料。

　　半導體的起源

　　英國科學家法拉第（MIChael Faraday，1791~1867），在電磁學方面擁有許多貢獻，但較不為人所知的，則是他在1833年發現的其中一種半導體材料：硫化銀，因為它的電阻隨著溫度上升而降低，當時只覺得這件事有些奇特，并沒有激起太大的火花。

　　然而，今天我們已經知道，隨著溫度的提升，晶格震動越厲害，使得電阻增加，但對半導體而言，溫度上升使自由載子的濃度增加，反而有助于導電。

　　這是半導體現象的首次發現。

　　不久， 1839年法國的貝克萊爾發現半導體和電解質接觸形成的結，在光照下會產生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應，這是被發現的半導體的第二個特征。

　　在1874年，德國的布勞恩（Ferdinand Braun，1850~1918）觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關，即它的導電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導電，這就是半導體的整流效應，也是半導體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發現了銅與氧化銅的整流效應。

　　1873年，英國的史密斯發現硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應，這是半導體又一個特有的性質。

　　半導體的這四個效應，雖在1880年以前就先后被發現了，但半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。

　　直到1906年，美國電機發明家匹卡（G. W. PICkard，1877~1956），才發明了第一個固態電子元件：無線電波偵測器（cat’s whisker），它使用金屬與硅或硫化鉛相接觸所產生的整流功能，來偵測無線電波。

　　在整流理論方面，德國的蕭特基（Walter Schottky，1886~1976）在1939年，于「德國物理學報」發表了一篇有關整流理論的重要論文，做了許多推論，他認為金屬與半導體間有能障（potential barrier）的存在，其主要貢獻就在于精確計算出這個能障的形狀與寬度。

　　至于現在為大家所接受的整流理論，則是1942年，由索末菲（Arnold Sommerfeld， 1868~1951）的學生貝特所發展出來，他提出的就是熱電子發射理論（thermionic emission），這些具有較高能量的電子，可越過能障到達另一邊，其理論也與實驗結果較為符合。

　　在半導體領域中，與整流理論同等重要的，就是能帶理論。布洛赫（Felix BLOCh，1905~1983）在這方面做出了重要的貢獻，其定理是將電子波函數加上了週期性的項，首開能帶理論的先河。另一方面，德國人佩爾斯于1929年，則指出一個幾乎完全填滿的能帶，其電特性可以用一些帶正電的電荷來解釋，這就是電洞概念的濫觴；他后來提出的微擾理論，解釋了能隙（Energy gap）存在。

　　半導體材料早期發展

　　20世紀初期，盡管人們對半導體認識比較少，但是對半導體材料的應用研究還是比較活躍的。

　　20世紀20年代，固體物理和量子力學的發展以及能帶論的不斷完善，使半導體材料中的電子態和電子輸運過程的研究更加深入，對半導體材料中的結構性能、雜質和缺陷行為有了更深刻的認識，提高半導體晶體材料的完整性和純度的研究。