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······

半导体材料的百年坎坷“转正”路                     

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。
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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)
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(来源:http://www.sohu.com/a/130277479_264334)

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。
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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。
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(来源:https://www.bilibili.com/read/cv1236368/)

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。

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来源: 颜相宁 中科院半导体所微信公众号

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.