現(xiàn)代世界里，沒(méi)有人可以說(shuō)自己跟“半導(dǎo)體”沒(méi)有關(guān)系,。半導(dǎo)體聽(tīng)起來(lái)既生硬又冷冰冰,，但它不僅是科學(xué)園區(qū)里那幫工程師的事，你每天滑的手機(jī),、用的電腦,、看的電視、聽(tīng)的音響,，里面都有半導(dǎo)體元件,，可以說(shuō)若沒(méi)有半導(dǎo)體，就沒(méi)有現(xiàn)代世界里的輕巧又好用的高科技產(chǎn)物,。
半導(dǎo)體的重要性不可言喻,，甚至被譽(yù)為世界上第 4 大重要發(fā)明。美國(guó)《大西洋月刊》曾找來(lái)科學(xué)家,、歷史學(xué)家,、技術(shù)專(zhuān)家為人類(lèi)史上的重大發(fā)明排名，半導(dǎo)體名列第 4,，排在前面的分別是印刷機(jī),、電力、盤(pán)尼西林,。
而提到半導(dǎo)體,，就不得不提到半導(dǎo)體的基礎(chǔ)——材料。
在二十世紀(jì)的近代科學(xué),，特別是量子力學(xué)發(fā)展知道金屬材料擁有良好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱特性,，而陶瓷材料則否，性質(zhì)出來(lái)之前,，人們對(duì)于四周物體的認(rèn)識(shí)仍然屬于較為巨觀的瞭解,，那時(shí)已經(jīng)介于這兩者之間的，就是半導(dǎo)體材料,。
半導(dǎo)體的起源
英國(guó)科學(xué)家法拉第(MIChael Faraday,，1791~1867)，在電磁學(xué)方面擁有許多貢獻(xiàn),，但較不為人所知的,，則是他在1833年發(fā)現(xiàn)的其中一種半導(dǎo)體材料：硫化銀，因?yàn)樗碾娮桦S著溫度上升而降低,，當(dāng)時(shí)只覺(jué)得這件事有些奇特,，并沒(méi)有激起太大的火花。
然而,，今天我們已經(jīng)知道,，隨著溫度的提升,，晶格震動(dòng)越厲害,，使得電阻增加,，但對(duì)半導(dǎo)體而言，溫度上升使自由載子的濃度增加,，反而有助于導(dǎo)電,。
這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。
不久,， 1839年法國(guó)的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié),，在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來(lái)人們熟知的光生伏特效應(yīng),，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特征,。
在1874年，德國(guó)的布勞恩(Ferdinand Braun,，1850~1918)觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān),，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓,，它是導(dǎo)通的,；如果把電壓極性反過(guò)來(lái)，它就不導(dǎo)電,，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng),，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年,，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng),。
1873年，英國(guó)的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng),，這是半導(dǎo)體又一個(gè)特有的性質(zhì),。
半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)，雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了,，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用,。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。
直到1906年,，美國(guó)電機(jī)發(fā)明家匹卡(G. W. PICkard,，1877~1956)，才發(fā)明了第一個(gè)固態(tài)電子元件：無(wú)線電波偵測(cè)器(cat’s whisker),，它使用金屬與硅或硫化鉛相接觸所產(chǎn)生的整流功能,，來(lái)偵測(cè)無(wú)線電波。
在整流理論方面,，德國(guó)的蕭特基(Walter Schottky,，1886~1976)在1939年，于「德國(guó)物理學(xué)報(bào)」發(fā)表了一篇有關(guān)整流理論的重要論文，做了許多推論,，他認(rèn)為金屬與半導(dǎo)體間有能障(potential barrier)的存在,，其主要貢獻(xiàn)就在于精確計(jì)算出這個(gè)能障的形狀與寬度。
至于現(xiàn)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(xué)生貝特所發(fā)展出來(lái),，他提出的就是熱電子發(fā)射理論(thermionic emission),，這些具有較高能量的電子，可越過(guò)能障到達(dá)另一邊,，其理論也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為符合,。
在半導(dǎo)體領(lǐng)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(xiàn),，其定理是將電子波函數(shù)加上了週期性的項(xiàng),，首開(kāi)能帶理論的先河。另一方面,，德國(guó)人佩爾斯于1929年,，則指出一個(gè)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(lái)解釋?zhuān)@就是電洞概念的濫觴,；他后來(lái)提出的微擾理論,，解釋了能隙(Energy gap)存在。
半導(dǎo)體材料早期發(fā)展
20世紀(jì)初期,，盡管人們對(duì)半導(dǎo)體認(rèn)識(shí)比較少,，但是對(duì)半導(dǎo)體材料的應(yīng)用研究還是比較活躍的。
20世紀(jì)20年代,，固體物理和量子力學(xué)的發(fā)展以及能帶論的不斷完善,，使半導(dǎo)體材料中的電子態(tài)和電子輸運(yùn)過(guò)程的研究更加深入，對(duì)半導(dǎo)體材料中的結(jié)構(gòu)性能,、雜質(zhì)和缺陷行為有了更深刻的認(rèn)識(shí),，提高半導(dǎo)體晶體材料的完整性和純度的研究。
20世紀(jì)50年代,，為了改善晶體管特性,，提高其穩(wěn)定性，半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)得到了迅速發(fā)展,。盡管硅在微電子技術(shù)應(yīng)用方面取得了巨大成功,，但是硅材料由于受間接帶隙的制約,，在硅基發(fā)光器件的研究方面進(jìn)展緩慢。
隨著半導(dǎo)體超晶體格概念的提出,，以及分子束外延,。金屬有機(jī)氣相外延和化學(xué)束外延等先進(jìn)外延生長(zhǎng)技術(shù)的進(jìn)步，成功的生長(zhǎng)出一系列的晶態(tài),、非晶態(tài)薄層,、超薄層微結(jié)構(gòu)材料,，這不僅推動(dòng)了半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)與制造從過(guò)去的所謂“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”為基于量子效應(yīng)的新一代器件制造與應(yīng)用打下了基礎(chǔ),。
元素半導(dǎo)體
第一代半導(dǎo)體是“元素半導(dǎo)體”，典型如硅基和鍺基半導(dǎo)體,。其中以硅基半導(dǎo)體技術(shù)較成熟,，應(yīng)用也較廣，一般用硅基半導(dǎo)體來(lái)代替元素半導(dǎo)體的名稱(chēng),。甚至于,，目前，全球95%以上的半導(dǎo)體芯片和器件是用硅片作為基礎(chǔ)功能材料而生產(chǎn)出來(lái)的,。
以硅材料為代表的第一代半導(dǎo)體材料,，它取代了笨重的電子管，導(dǎo)致了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展和整個(gè)IT 產(chǎn)業(yè)的飛躍,，廣泛應(yīng)用于信息處理和自動(dòng)控制等領(lǐng)域,。
但是在20世紀(jì)50年代，卻鍺在半導(dǎo)體中占主導(dǎo)地位,，主要應(yīng)用于低壓,、低頻、中功率晶體管以及光電探測(cè)器中,，但是鍺基半導(dǎo)體器件的耐高溫和抗輻射性能較差,，到60年代后期逐漸被硅基器件取代。用硅材料制造的半導(dǎo)體器件,，耐高溫和抗輻射性能較好,。
1960年出現(xiàn)了0.75寸（約20mm）的單晶硅片。
1965年以分立器件為主的晶體管,，開(kāi)始使用少量的1.25英寸小硅片,。之后經(jīng)過(guò)2寸、3寸的發(fā)展,，1975年4寸單晶硅片開(kāi)始在全球市場(chǎng)上普及,，接下來(lái)是5寸、6寸,、8寸,，2001年開(kāi)始投入使用12寸硅片,，預(yù)計(jì)在2020年，18寸（450mm）的硅片開(kāi)始投入使用,。
據(jù)了解,，硅片占整個(gè)半導(dǎo)體材料市場(chǎng)的32%左右，行業(yè)市場(chǎng)空間約76億美元,。國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體硅片市場(chǎng)規(guī)模為130億人民幣左右,，占國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體制造材料總規(guī)模比重達(dá)42.5%。
而這一領(lǐng)域主要由日本廠商壟斷,，我國(guó)6英寸硅片國(guó)產(chǎn)化率為50%,，8英寸硅片國(guó)產(chǎn)化率為10%，12英寸硅片完全依賴于進(jìn)口,。
目前市場(chǎng)上在使用的硅片有 200mm（8 英寸）,、300mm（12 英寸）硅片。由于晶圓面積越大,，在同一晶圓上可生產(chǎn)的集成電路IC越多,，成本越低，硅片的發(fā)展趨勢(shì)也是大尺寸化,。12英寸硅片主要用于生產(chǎn)90nm-28nm及以下特征尺寸（16nm和14nm）的存儲(chǔ)器,、數(shù)字電路芯片及混合信號(hào)電路芯片，是當(dāng)前晶圓廠擴(kuò)產(chǎn)的主流,。
由于面臨資金和技術(shù)的雙重壓力,，晶圓廠向450mm（18英寸）產(chǎn)線轉(zhuǎn)移的速度放緩，根據(jù)國(guó)際預(yù)測(cè),，到2020年左右,，450mm的硅片開(kāi)發(fā)技術(shù)才有可能實(shí)現(xiàn)初步量產(chǎn)。