作者杨溢171860540 计算机类
摘要
当今社会，半导体起着无与伦比的作用。本文将从半导体现象发现之初，按着时间的顺序，探索半导体发展的历史，并简述半导体的成熟应用以及对半导体未来发展趋势和新的半导体技术的展望。
正文
前言
半导体，是指（常温下）导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。半导体的导电性受外界条件的控制，这使得它在当今社会的作用十分巨大，无论是科技发展角度来看还是经济发展角度来看。其中，半导体在信息技术产业中扮演着尤为重要的角，它可以说是现代信息化的基础。从上个世纪半导体大规模集成电路、半导体激光器、以及各种半导体器件的发明，到最近十几年半导体技术的新发展，都将推动信息技术产业阔步向前。本文将从半导体的最开始的起源说起，简要介绍半导体在各个阶段的技术进步、突破性进展以及在生产生活中的应用，以及对未来半导体产业发展的展望。 第一部分半导体的发展历史
一、半导体的发现
1833年，英国科学家法拉第最先发现硫化银的电阻随温度的变化情况不同于一般金属，在一般情况时，金属的电阻随温度升高会增加，但巴拉迪发现，硫化银材料的电阻却是随着温度的上升而降低。这是半导体的首次发现。不久之后，1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光伏效应，这是被发现的半导体的第二个特征。英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。德国的科学家布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，它也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。至那时，半导体的性质已经被大致地发现了。
在1945年第二次大战结束时，美国贝尔实验室的巴克莱决定成立固体物理组以适应该室从战时转向和平时期的工作需要，由肖克莱负责的半导体物理小组成员有巴丁、吉布尼、布拉顿、穆尔等人。肖克莱及巴丁是理论物理学家，布拉顿是实验物理学家而吉布尼是物理化学家，穆尔是电路学家，这种专业人才的搭配对于半导体物理的研究和晶体管的发明是个黄金搭配，精干又高效。他们根据他们各自在30年代中期以后的经验以及后来的考虑，从刚开始进行工作时，就把重点放在硅和锗的研究上。乌鲁木齐亚欧博览会
第二次世界大战期间，英国用雷达侦察到了德国的轰炸机。雷达的核心就是真空电子管，它能够将微弱电流放大为易于观测到的电流。肖克莱早在1939年就准备制作能够将电流放大的固体器件，以便取代真空电子管。1947年12月，巴丁和布拉顿制成了世界上第一个锗点接触型三极管，具有电流放大作用。
布拉顿和巴丁的结果在1948年6月发表。点接触晶体管的发明揭
开了晶体管大发展的序幕，但由于它的结构太复杂，性能差，体积比2012高考理综全国卷
较大和难以制造等缺点，没有得到工业界的推广和应用，在社会上引
起的反响不够强烈。随后，肖克莱停止了与巴丁和布莱顿的合作，去
独立的研究一种新兴的晶体管。他在自己研究p-n结理论的基础上发明了金属氧化物半导体场效应晶体管（MOS），如图为一个NMOS晶体管。
晶体管被认为是现代历史中最伟大的发明之一。晶体管是所有现代电器的关键活动元件。晶体管之所以在当今社会的重要性主要是因为晶体管可以使用自动化的过程进行大规模的生产的能力，因而可以不可思议地达到很低的单位成本。有了晶体管，下一步的集成电路便水到渠成了。
三、集成电路的发明
相比电子管，晶体管的体积要小很多。但是，由于它是由多个原
件一起焊在一块电路板上，它的体积还是不够小巧，同时它的装配工
艺也比较复杂。工程师们设计的电路需要数英里长的线路以及上百万
个的焊点组成，制造它的难度可想而知。
在1958年，针对这一情况，刚刚加入德州仪器公司的工程师杰
克.基尔比（图）提出了一个大胆的设想：“能不能将电容、电阻、晶
体管等电子元器件都安置在一个半导体单片上?”这样整个电路的体
积将会大大缩小，于是这个新来的工程师开始尝试一个叫做相位转换
振荡器的简易集成电路。最后，1958年9月12日，基尔比研制出世
边界发现蒙古野驴界上第一块集成电路，成功地实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想，并通过了德州仪器公司高层管理人员的检查。这一天，集成电路取代了晶体管，为开发电子产品的各种功能铺平了道路，并且大幅度降低了成本，使微处理器的出现成为了可能，开创了电子技术历史的新纪元。
与此同时，美国加州菲切尔德（仙童）半导体公司的诺伊斯提出了用铝连接晶体管的想法。。在基尔比发明集成电路5个月以后，即1959年2月，他采用霍尔尼提出的平面晶体管方法，在整个硅片上生成SiO2掩膜，应用光刻技术按模板刻成窗口和引线通路，通过窗口扩散杂质，构成基极、发射极和集电极，将金或铝蒸发，因而制成集成电路。1959年7月诺伊斯的集成电路取得了专利权，名称为“半导体器件与引线结构”。从此集成电路走上了大规模发展的新时期。
四、太阳能电池的发明
1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1849年术语“光伏”才出现在英语中。1883年第一块太阳电池由Charles Fritts制备成功。Charles用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有1%的效率。到了20世纪30年代，照相机的曝光计广泛地使用光起电力行为原理。1946年Russell Ohl申请了现代太阳电池的制造专利。到了20世纪50年代，随着半导体物性的逐渐了解，以及加工技术的进步，1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后，第一个太阳能电池在1954年诞生在贝尔实验室。太阳电池技术的时代终于到来。
为了人造卫星的需要，1954年皮尔森和富勒利用磷和硼的扩散技术制成了大面积的硅p-n结太阳能电池，光电转换效率达6%以上，超过了过去最好的太阳能转换效率的15倍。它的制作成本低廉，可以批量生产，因此很快得到了大规模的应用。
太阳能电池的工作原理是光生伏特效应。当光照射在半导体上时，在半导体中产生电子－空穴对。如果接通外电路，就会有电流通过，这就是光生伏特效应。
太阳能电池的商业应用开始于1958年，它被选用为美国第一个人造卫星Vanguard I的无线电发射机的电源。当前能源危机下，太阳能电池作为一种再生和无污染电源引起了人们极大的注意。
五、半导体激光器的发明
半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构
上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。东菱克栓酶>咸阳师范学院学报
半导体二极管激光器是最实用最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。
半导体发光管和激光器的工作原理和太阳能
电池正好相反：太阳能电池是用光产生电，而发
光管、激光器则用电产生光。用电流将电子和空
穴分别引入半导体的导带和价带。电子和空穴复
合，产生光子。
1962年美国霍尔用p-n同质结制成了第一个
半导体激光器（见图8）。产生激光必须满足3个
条件：粒子数的反转分布、谐振腔和电流超过一
定阈值。
1963年美国的克勒默和苏联的阿尔费罗夫各自独立地制成了异质结激光器，也就是在图8中，结区用一种禁带宽度小的材料，如GaAs；两边的p区和n区用另一种禁带宽度大的材料，如AlxGa1-xAs。这样，发光区域被限制在窄小结区中（见图9）。因此大大提高了发光效率，降低了激光器的阈值电流。
1970年苏联的约飞研究所和美国的贝尔实验室分别制成了室温下连续工作的双异质结激光器，从而使半导体激光器在光通信中得到了广泛的应用。
由于克勒默和阿尔费罗夫在发展半导体激光器方面的重要贡献，他们在2000年和集成电路发明者基尔比一起获得了诺贝尔物理奖。硅大规模集成电路和半导体激光器的发明使得世界进入了一个以微电子和光电子技术为基础的信息时代，大大促进了社会和经济的发展。
第二部分半导体的成熟应用
一、大规模集成电路
大规模集成电路：LSI (Large Scale Integration )，通常指含逻辑门数为100门～9999门（或含元件数1000个～99999个），在一个芯片上集合有1000个以上电子元件的集成电路。集成电路（integrated circuit）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体。可用字母“IC”（也有用文字符号“N”等）表示。
大规模集成电路的一个重要应用就是计算机。自从1943年计算机诞生以来，由于集成电路的发明，计
算机向着高运算速度、体积小型化方向飞速发展。目前世界主要发达国家和中国都已拥有百万亿次以上浮点运算的大型计算机。在我们身边，几乎家家户户都拥有微型计算机，用来工作和娱乐。
二、光通信技术
光通信技术是一种以光波为传输媒质的通信方式。光波和无线电波同属电磁波，但光波的频率比无线电波的频率高，波长比无线电波的波长短。因此，具有传输频带宽、通信容量大和抗电磁干扰能力强等优点。
以前长距离通信靠长途电话或电报。因为通话数目少，价钱很贵。1966年英国标准通信实
验室的高锟（K. C. Kao）提出用无杂质高透明度的玻璃纤维传输激光信号。如果它的损耗能低到20分贝/公里，则就能实现长距离光通信。1970年纽约康宁玻璃厂的毛瑞尔（R. D. Maurer）等用“淀积工艺”将四氯化硅蒸气经过火焰水解，制成密实的玻璃管，再加热后通过模子拉制成细的玻璃纤维。低损耗的玻璃纤维的诞生是光通信技术的里程碑进展。1976年美国贝尔实验室在亚特兰大进行了第一次光通信实地实验，取得了很好的效果。如今，光通信技术已经成为了现代社会不可缺少的工具。
三、光盘存储和激光测距、激光打印、激光仪器
光盘存储和激光测距、激光打印、激光仪器等是半导体激光器的另一重大应用领域。CD盘（只读声盘）
、DVD（数值可视盘）所用的激光器波长分别为780nm和670nm、650nm，由激光器将信息“写”入光盘或者从光盘上“读”出声音或光信号。激光器的波长越短，光盘存储密度就越高。波长为410nm的InGaN激光器可以将光盘的存储量再提高一大步。波长为670-630nm的InGaAlP激光器已在许多场合取代了He－Ne激光器，在激光测距、激光打印、激光医疗仪器中得到了重要的应用。
康永彬第三部分半导体产业的发展展望
一、更高的集成度
世界集成电路主流工艺经过了：2007年的65纳米（集成电路线宽）、2010年的45纳米、2013年的33纳米、以及2016年的22纳米工业化生产的几个发展阶段。想要继续发展下去，就必须解决一系列的关键技术和专用设备，如：新型器件的研发（非传统CMOS 器件、新型存储器、逻辑器件等），IC设计、封装、和测试技术，新型光刻机、刻蚀机等配套设备等。
半导体器件的尺寸不能无限制地减小，如果器件尺寸小到电子的德波罗依波长（10纳米），量子效应将会更加明显，这时需要设计建立在量子力学原理基础上的新型半导体器件。 二、向更长和更短波长、更大功率、更高工作频率的方向发展
大功率激光器列阵分准连续(QCW)器件与连续(CW)器件，它们除了作固体激光器的泵浦源外，还可直
接用作材料加工、医疗、仪器、敏感技术、印刷制版等，进入传统中由非半导体激光器主宰的市场，代替气体、固体激光器。AlGaN/GaN异质结双极晶体管具有线性好、电流容量大、阈值电流均匀等优点，主要应用在线性度要求高、工作环境苛刻的大功率微波系统中，如军用雷达、通信等；还可应用于在苛刻环境下工作的智能机器人等系统中。三、半导体超晶格和量子线、量子点器件
半导体超晶格、量子线、量子点是低维结构，它们具有一些特殊的物理性质，如量子限制效应和电子运动的二维或一维特性，可以制成一些性能优异的器件，如：激光器、高电子迁移率器件、光双稳器件、共振隧穿器件等。当器件的尺寸、维度进一步减小，使得电子运动的平均自由程大于器件的尺寸时，电子在运动过程中将不受杂质、晶格振动等的散射，而作一种相干波运动。利用这些特点预计可制造出超高速、超低电能的电子器件。例如量子点单电子晶体管将使动态随机存储器（DRAM）的功耗大大降低。
四、半导体量子信息器件
目前的工艺已经能在半导体量子点上产生和探测单个光子，使得半导体量子点成为实现量子信息处理（量子计算、量子通信）最有希望的固体器件。量子信息科学技术的迅速发展，为精密测量、量子计算和保密通讯等领域都提供了全新的革命性的理论和实验方法。量子信息最关键的是利用光子的相干性。光子作为量子理论中最基本的量子化实体，能够很容易地实现收集、传递、复制、存储和处理信
息的全过程，具有作为量子通讯、量子计算载体的独特的先天优势。因此基于光子过程的量子信息处理器件是各种量子信息工程的基础，它的基本原理研究和制备必将为计算科学和通讯能力带来飞越式的发展。
结论
半导体经过了一个多世纪的发展，已经从实验室走出来，成为了推动时代发展的一个重要因素。我们有十足的理由相信在未来，半导体技术的产业革命会推动人类社会走向新的发展巅峰。
参考资料
DONALD A. NEAMEN．Microelectronics：McGraw
Robert W.Cahn The coming of Materials Science
"Silicon Semiconductor". CallMe Engineer.
超大规模集成电路：由消费大国走向设计大国
倪萌, M K Leung, K Sumathy. 太阳能电池研究的新进展[J]. 可再生能源, 2004(2):9-11.
梁宗存, 沈辉, 李戬洪. 太阳能电池及材料研究[J]. 材料导报, 2000, 14(8):38-40.
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