半导体超晶格国家重点实验室网站请大家提前联系自己有意愿的超晶格室导师：ht**://lab.semi.ac/cjg/contents/256/5563.html李树深a吴晓光张新惠李京波王开友下周三不参加超晶格实验室的面试，请与他们直接联系面试时间。半导体研究所导师简介为便于安排超晶格室参观和面试，请于本周末之前告知姬扬jiyang@semi.ac中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室参考资料JohnOrton,Semiconductors,OxfordUniversityPress,2004ScientificAmerican,Solid-StateCentury,SpecialissueScientificAmerican,1999宏微交替——半导体所成立五十周年》中国科学院研究生院课程《半导体量子电子器件物理》摘要我们将简要介绍半导体研究的概况，回顾其历史沿革以及我国在此领域中的一些历史发展情况。以半导体研究为例，介绍科学研究活动从十九世纪的“自由探索”阶段过渡到二十世纪特别是第二次世界大战之后的“目标导向”阶段。首先用两个例子说明半导体科学技术在信息技术革命中的巨大作用：半导体检波器在无线通讯中的应用（一战前）；半导体晶体管在电子计算机中的应用（二战后）。

然后用霍尔效应为例说明半导体研究对基础科学的贡献。最后再用几个例子说明半导体科学技术对国民经济和国防建设的重大贡献：它不仅在集成电路、光纤通讯和太阳能电池等方面绽放异彩，还在卫星通讯、白光照明、电动汽车和高速列车等方面大显身手。一百多年以来，无数的科技工作者持之以恒地研究半导体科学技术，从而不断地提高着人们的物质和精神生活水平；现在，仍然需要更多的有志青年投身于半导体科学技术研究中，从而进一步推动社会前进、增进全人类的福祉。报告大纲其它贡献信息的时代半导体的世纪第一台电子计算机ENIAC1946年笔记本电脑2012年一滴水中看世界——从诺贝尔物理学奖看半导体科学的发展1909年布劳恩CarlBraun因为无线电报的发明而与马可尼一道获得了诺贝尔奖，布劳恩的贡献包括半导体整流效应的发现，对于信号检测非常重要。1956年，巴丁JohnBardeen、布拉顿WalterBrattain和肖克利WilliamShockley因为晶体管而获奖。1973年，江崎LeoEsaki因为半导体中的隧穿效应而获奖。1977年莫特NeveilMott和安德森PhilipAnderson因为非晶半导体而获奖。

1985年，克利钦KlausvonKlitzing因为量子霍尔效应而获奖。1998年劳克林RobertLaughlin、斯托默HorstStormer和崔琦DanielTsui因为分数量子霍尔效应而获奖。2000年阿尔弗雷夫ZhoresAlferov、克罗默HerbKroemer和基尔比JackKilby因为电子学和光电子学方面的贡献而获奖。史密斯（George2010年盖姆AndreGeim和诺沃肖洛夫KonstantinNovoselov因石墨烯获奖。信息时代短暂的历史辉煌的成就日常生活中到处都是半导体器件：计算机、各类存储器、激光器、白光照明、太阳能、高速铁路，等等。这些器件是怎样发明出来的？未来发展的限制是什么？半导体的世纪材料科学的发展许多技术的硬件部分都是基于材料并受限于材料。从石头到铜，再从铜到铁，然后再到现在的半导旧石器时代有几百万年的历史，新石器时代可能有一万年。铜器时代和铁器时代都有几千年吧。而工业革命只有几百年的历史，信息时代还不过一百年而已。发现和改进材料的过程贯穿人类历史。人猿相揖别。只几个石头磨过……——毛泽东山顶洞人山顶洞人的骨针许昌人的石器人猿相揖别。

只几个石头磨过，小儿时节。铜铁炉中翻火焰，为问何时猜得？不过几千寒热。人世难逢开口笑，上疆场彼此弯弓月。流遍了，郊原血。一篇读罢头飞雪，但记得斑斑点点，几行陈迹。五帝三皇神圣事，骗了无涯过客。有多少风流人物？歌未竟，东方白。材料制备的要点发现和改进材料的过程贯穿人类历史。先是在自然界中发现了原材料，铜矿。公元四千年前就出现了铜饰品，在此过程中人类的爱美之心或虚荣心起了非常重要的作用。公元前3000年左右发现可以将铜熔化，纯铜的熔点是1083摄氏度。但是铜太软，又过了一千年，到了公元前2000年左右，发现往铜液中添加少量的锡可以有三个好处：降低熔点、降低液体黏度以及增强成品的硬度。通常根据需要添加5-15%的锡。公元前1000年左右，发现铁在武器和工具中的优势更大，虽然铁的熔点更高，1535摄氏度，出现了锻造技术，发明了风箱。铁中掺入适当杂质，就成了钢。然后再用恰当的处理方式（比如说掺杂）来满足广泛的需求。什么是半导体有多少种半导体III-V族，闪锌矿结构，与金刚石结构的类似之处，原子的电负性差异增大，化学键的共价性质还比较强；电负性差异更大，共价性更弱。金刚石结构——嵌套的面心立方结构金刚石、硅、锗、灰锡闪锌矿结构GaAs,InAs,ZnTe,CdSKelly,(1995).Low-dimensionalsemiconductors,ClaredonPress.pp2——嵌套的面心立方结构Zincblende纤锌矿结构——嵌套的六方密堆结构Wurtzite晶体分子模型许多种II-VI族化合物纤锌矿结构闪锌矿结构Dyakonov,(2008).SpinPhysicsSemiconductors,SpringerVerlag.pp390半导体研究早期情况1833硫化银的电导，第一次观察到电阻的负温度系数。

1873WarrenSmith在体材料硒中发现光电导效应。整流效应。半导体物理学早期情况1879年，霍尔效应。在发现电子之前18年。可以得到自由载流子的浓度和迁移率。1907-1920Koenigsberger等将霍尔效应应用于半导体。惊奇地发现一些材料的霍尔电场不是负值。Baedeker1912年关于CuI的工作证明，通过控制元素配比，改变I的量，可以强烈地影响自由载流子密度。Wilson提出了第一个半导体性质的理论，有很多正确的想法，但他错误地将硅看作是金属。原因可能是当时的材料还不够纯净。1930年代末期，Mott,Schottky,Davydov发表了势垒模型解释金属-半导体接触。半导体物理学：面向应用的科学开关器件，如晶闸管半导体研究：早期应用主要驱动力是赫兹在1888年发现了射频电磁；波用莫斯码传递信息MorseCode布劳恩有两个重要发明：可调谐电路'tunedcircuit'和猫须检波器，PbS,SiC,Te热离子阀即热离子二极管thermionic valve 1883年爱迪生申请了真 空管的专利，1904年弗莱明Fleming用类似器件做射频探测器。1906 年Lee De Forest发明了真空三极管 'audion' 1947年固态三极管。

半导体研究：早期应用 Fritts在1886年演示了第一个大面积的硒整流器件，然后直到1927年Grondahl Geiger演示了铜-氧化铜整流器。这是面向应用的而不 再完全是自由探索的研究的开端。那时候美国很重视应用而不是基础 研究。 铜-氧化铜整流器的具体结构不是很重要，重要是为了实用起见。关键的界面在于铜和氧化铜之间的界面，需要优化接触电极以获得满意 的粘合以及最小的接触电阻。需要进行氧化处理和化学处理，这与现 硒整流器，硒表面和相对的电极决定了整流效应。需要多种处理过程。加工过程在很大程度上靠实验摸索。 不再采用自然界中现成的晶体 （像猫须整流器那样），而是为了特定的应用目的合成半导体材料。 半导体研究：早期应用 光探测器：曝光强度指示计；将胶片中的声音条纹转化为电信号。 晶体管 晶体管 单单一个晶体管就值得半导体研究的全部投资once-and-for-all justification 一劳永逸地验证了它的价值 研究实验室Research Laboratory 的原则在二战前就已经确认了，但 是，第二次世界大战才真正让有影响力的人士认识到科学和技术可能 带来的巨大贡献：特别是对一些生死存亡的事情来说。

二次世界大战使得美国人认识到基础研究的重要性，而欧洲人则认识到将科学投入应用的重要性。在此之前，美国偏重于应用，而欧洲则 相反。 上面这些因素当然很重要，但贝尔实验室科学家们的决心和动力也绝对不容忽视。 晶体管 1799年，皇家研究所RoyalInstitution。 教学目的的实验室，格拉斯哥大学实验室Glasgow University Laboratory 在18世纪末就出现了