半导体材料的百年坎坷“转正”路

作者：颜相宁

众所周知

半导体是指一种电阻率介于金属和绝缘体之间，并有负的电阻温度系数的物质。作为“二十世纪最重要的新四大发明”之一，也作为二十一世纪集成电路、芯片等名词的载体，这几年里半导体的火热程度从未退却。

你以为半导体是最近几十年才被发现的吗？说出来你可能不信，半导体的“发家史”实际上可以追溯到很久很久以前······

第一个意外

——不一样的电导率

那是遥远的186年前的大清道光十三年，公历1833年的一天，英国物理学家、“交流电之父”法拉第(MIChael Faraday，1791~1867)像往常一样在做实验，可是突然间，他发现了一个神奇的现象——有种材料的电阻随温度变化的现象很反常。这种材料是硫化银。

一般情况下，像常见的金属材料，它们的电阻都会随着温度升高而变大，但是硫化银这种材料却很反常，随着温度的上升，它的电阻越来越低，导电性越来越强。就是说：呈现出负的电阻温度系数。

随着科技的发展，人们观测到了半导体在室温时电阻率约在10^-5～10^-7(欧·米)之间，随着温度升高，电阻率指数会减小。从那之后，这个区别于常见材料的性质就成为了识别这种材料的第一个特征，不过在那个时候，这种材料还是没有“半导体”这个名字。

第二个意外

——光生伏特效应

六年后的1839年，年仅19岁的法国物理学家亚历山大.贝克勒尔（Alexandre Edmond Becquerel, 1820—1891）在协助父亲做实验时意外地发现：将两片金属浸入溶液和电解质接触构成伏打电池，当这个体系受到阳光照射后产生了一个额外的电压。

直到1883年，又有学者发现：将硒和金属两种固体接触所形成的结受到光照时，也会产生额外的电势，后来人们就把这种现象称作光生伏特效应，将能够产生此效应的器件称为光伏器件。

光生伏特效应，也叫光生伏打效应，是半导体第二个被发现的特征。但直到这时候，这种材料还是没有“半导体”这个名字。（是不是有点替半导体焦急了）

第三个意外

——光电效应

在1873年，英国科学家威勒毕·史密斯(Willoughby Smith)在进行与水下电缆相关的一项任务时发现，光照会促使硒圆柱的电导增加。这个现象后来被称为光电导效应。

又过了14年，在1887年，德国物理学者海因里希·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857－1894）在实验中真正观察到了光电效应，后来爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应。这种特质成为了半导体的又一个特有的标签。

大家都知道，光可以看作是由携带一份一份的能量的光子组成的。当有光照射的时候，半导体材料就可能吸收入射光子能量。吸收了能量的电子会“躁动”起来了，获得动能的增加，当动能增大到足以克服原子核的吸引力时，它就能在十亿分之一秒的时间内飞逸出金属表面，成为可以导电的光电子。

因为电子和空穴是成对产生的，电子增多，空穴当然也就增加了。而电子和空穴都是载流子，这时候载流子的浓度就能大大增加，使得半导体的导电性也大大增加，电阻也会相应地减小。光敏电阻就是基于光电导效应而制成的光电器件。

第四个意外

——整流效应

1874年，德国航天工程师布劳恩（Ferdinand Braun，1850~1918)观察到：某些硫化物是否能导电与其所加电场的方向有关。如果在它两端加一个正向电压，它就是导体；如果把电压极性反过来，它就俨然成了绝缘体。

同年，出生在德国的英国物理学家舒斯特(Arthur Schuster，1851—1934)又发现了铜与氧化铜的整流效应。这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第四种特性。这个性质也促成了半导体的第一个应用——利用整流效应制作的检波器。

虽然，在1880年以前，半导体的这4个效应就先后被发现了，但是“半导体”这个名字的出现大概到了1911年，由考尼白格和维斯首次使用了。当然，总结出半导体的这四个特性的工作一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。

也是在这一年，因为锗材料晶体管的诞生，让半导体材料真正走上了历史舞台。而直到1954年，第一个硅晶体管才诞生；直到上世纪 60 年代后期，硅材料才逐渐取代了锗并一直“活跃”至今～～

但让人惊讶的是：到了这个时候，距离半导体的第一个特性被发现，已经足足120年有余了～～哦对了，硅（Si），就是组成石头的元素之一，也是地球上第二多的元素（扣题）。

直到现代，不仅硅、锗等为代表的第一代半导体材料得到了广泛的应用，还有了以GaAs为代表的第二代化合物半导体材料、以GaN为代表的第三代半导体材料，而且它们也分别在各自的领域发光发热，也许你不认识它们，但它们的产品的的确确已经成为了人们生活中不可或缺的必需品。

半导体材料从发现到发展，从应用到创新，经历了逾越百年的路程。也许您心生疑问，为什么半导体被认可需要这么多年呢？相宁猜测这其中的主要原因也许是当时的材料不纯。没有好的材料，很多与材料相关的问题就难以说清楚了吧。

End

参考文献：

[1] 林耀忠,韦清,宋水泉. 汽车电工与电子技术[M].中南大学出版社,2018.

[2] 科技日报. 半导体内载荷子特征参数增至7个[EB/OL].http://www.xinhuanet.com//2019-10/15/c_1125104654.htm.

[3] Robert W. Cahn. 走进材料科学（The coming of Materials Science中译本)[M].化学工业出版社，2008.

[4] 王宏. 简述半导体材料发展的现状及前景[J].南方农机,2019,50(15):231.

[5] 唐婧婧. 半导体材料的性能分析及其应用[J].科技风,2019(21):169.

[6] 闵俊杰. 半导体材料的性能分析及其应用[J].科技传播,2019,11(04):199-200.