半导体:信息社会的基石
——徐新龙教授带你了解半导体简史
教授讲科普,知识伴我行
2021年全国科普日系列活动之五
半导体简史
在上个世纪中叶的中国,收音机属于稀缺物品,和自行车、缝纫机、手表一起被称为“四大件”,因为它们价格昂贵,很多人需要攒一两年的工资才能买得起一个“大件”。
1959年北京儿童在居委会收听中央人民广播电台的少儿节目“小喇叭”。
(图片来源:搜狐)
改革开放使人民群众的生活发生了巨大的变化。居民的收入、生活质量、消费水平不断提高,“四大件”在我国城乡居民中开始普及。在家庭建设上,人们开始追求“三大件”,即电视、冰箱、洗衣机。
1985年人们排队等待购买电视机
(图片来源:新浪微博)
进入20世纪90年代,移动电话和计算机已走入寻常百姓家,成为重要的生活用品。
艾迈斯半导体公司推出新款光传感模块,该模块能帮助安卓系统智能手机制造商将手机显示屏玻璃下的传感器孔径缩小至最小直径。
(图片来源:显示光电)
无论是收音机、电视机还是手机,半导体都是其中的核心单元。在消费电子产品、通信系统、光伏发电系统、照明系统、智能汽车等领域,半导体都有广泛的应用。我们很容易从字面猜测出半导体的意思:半导体(semiconductor)不就是导电性介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料么?然而说起半导体的发展历史,恐怕知之者甚少。
为此,我们特邀我刊专栏主持人、西北大学光子学与光子技术研究所徐新龙教授为大家讲述半导体的前世今生。
半导体简史
徐新龙
(西北大学光子学与光子技术研究所,陕西省石墨烯联合实验室)
人类的历史,从石器时代到青铜时代到铁器时代,是一部对材料操控的历史。如今,以硅为代表的半导体材料,奠定了我们信息时代的基础。日常生活中的手机、计算机、汽车、通讯设备等等都离不开半导体材料。近年来,中美两国的芯片之争(图1),更是将半导体推向风头浪尖。因此,为了提高国际竞争力,各国在半导体物理和器件研发方面投入了大量物力和人力。
图1 中美芯片之争
(图片来自网络)
然而半导体的发展历程只有短短的180多年(见表1)。最早可以追溯到1833年英国的法拉第(Faraday)发现硫化银的电阻不同于一般金属:由于热激发,其阻值随着温度的上升而降低。1839年法国科学家贝克莱尔(Becquerel)发现光照半导体产生电压输出(简称光伏效应),为太阳能电池的发展奠定了基础。1873年,英国史密斯(Willoughby Smith)发现硒晶体在光照下电导增加(光电导效应)。1874年德国布劳恩(Ferdinand Braun)观察到硫化物半导体的导电有方向性,即整流效应。
表1 半导体效应
早期科学家对于半导体效应的研究,只是实验观察,并没有理论解释。随着量子力学的发展,我们能够对半导体的微观机理进行深入研究。1928年布洛赫(Bloch)在量子力学的基础上,研究了固体中电子分布及运动,发展了能带理论,为半导体物理的发展奠定了基础。1931年,威尔逊(Wilson)在能带理论的基础上,明确了导体、半导体、绝缘体的微观判据。如图2所示,如果材料的导带和价带有重叠,就是金属;如果材料的导带和价带分离(间隔Eg为带隙),就是半导体(例如硅,砷化镓,氮化镓,氧化锌等);如果带隙非常大,大于9电子伏特,导电性差,就是绝缘体(例如石英等)。
图2 金属、半导体、绝缘体能带示意图
把半导体制成固体电子器件,也只有短短70多年的历史。1947年巴丁(Bardeen)、布莱顿(Brattain)、肖克莱 (Shockley)发明了锗晶体管(图3),取代了体积大、功耗大的真空电子管,是20世纪半导体史上划时代的发明,他们因此获得1956年诺贝尔物理学奖。
图3 1947年,世界上第一个锗晶体管
(图片来源:百度百科)
1958年,基尔比(Kilby)发明了第一个集成电路(图4),它仅仅是在一块锗片上制备了一只晶体管和一些其他电子元件,但是却掀起了整个电子产业革命,因此基尔比于2000年获得诺贝尔物理学奖。
图4 1958年,世界上第一个集成电路
(图片来源:百度百科)
20世纪60年代末,随着硅半导体提纯工艺的发展,以及电子器件平面加工工艺的进步,大规模集成电路出现。以Intel公司早期的4004,4位CPU为例,内含2300个晶体管,被认为是世界上第一个微处理器。1979年,Intel公司推出16位8088芯片,内含29000个晶体管。1988年,16M DRAM芯片问世,标志着电子技术进入超大规模集成电路阶段。2015年Intel的处理器芯片Knights Landing Xeon Phi已经内含晶体管高达80亿个。
图5 超大规模集成电路
(图片来源:百度百科)
除了电子技术,光电子技术的发展也是和半导体异质结及超晶格物理的建立密切相关。异质结及超晶格的发展也是半导体能带理论发展的必然,在LED、太阳能电池、激光器、探测器等光电器件方面发挥了巨大的作用(如表2所示)。
表2 半导体光电子的发展
进入21世纪,随着材料物理的发展,自2004年Geim(2010年诺贝尔物理奖得主)等人发现石墨烯以来,以二硫化钼、二硫化钨等为代表的新型二维半导体材料(图6),其光电性质具有带隙可调、层数依赖等特点,并且无需晶格匹配(范德华相互作用),表现出更多组合自由度,从而成为未来高性能、多功能电子和光电子器件研究的热点。二维半导体材料带隙可以覆盖红外—可见至紫外波段,其独特的电学、光学性能如量子尺寸效应、宏观量子效应、表面效应等使其在光催化、太阳能电池、光电探测器、自旋电子器件,光电显示器件等方面有很好的应用前景。在环境监测、光通信、军事、安检等诸多领域有很大的发展空间。特别是在太赫兹波段(波长范围为0.03 mm~3 mm)具有潜在的应用价值。随着通讯技术的发展,6G时代的研究提上日程,太赫兹波段成为了炙手可热的应用波段,而二硫化钼、二硫化钨等为代表的二维层状半导体材料有望提供优越的太赫兹发射器、调制器和探测器等太赫兹功能器件。
图6 二维材料家族
(图片来源: LI X , TAO L , CHEN Z , et al. Graphene and related two-dimensional materials: Structure-property relationships for electronics and optoelectronics[J]. Applied Physics Reviews, 2017, 4(2):021306.)
另一方面,2009年Miyasaka等发现有机/无机杂化钙钛矿作为重要的半导体材料,可用于制备薄膜太阳能电池。2012年,Snaith等利用杂化钙钛矿材料制备的太阳能电池效率达到10.9%。自此,钙钛矿型半导体材料由于高的光电转化效率引起了科研人员的广泛关注。但是早期有机-无机杂化钙钛矿半导体材料受温度和湿度的影响,限制了其发展。为了解决这一问题,全无机钙钛矿半导体材料(图7)凭借其优异而稳定的光电性质而被广泛研究。全无机钙钛矿半导体材料具有光致发光量子产率高、吸收系数高、载流子迁移率高以及载流子寿命长等优势,适合于太阳能电池、发光二极管等光电器件。
图7 无机钙钛矿半导体的光学性质及其应用
(图片来源:ZHOU Y , HUANG Y , XU X , et al. Nonlinear optical properties of halide perovskites and their applications[J]. Applied Physics Reviews, 2020, 7(4):041313.)
从实验到理论再到应用,半导体的发展凝聚着几代科研人员的心血。未来半导体的发展会进一步推动科技革新和社会进步,半导体材料将在光伏发电系统、量子芯片、柔性可穿戴器件、人工智能、人机融合等领域发挥重要作用。
半导体材料是信息社会的基础,对新兴领域起着基础支撑作用。敬请阅读《西北大学学报(自然科学版)》2020年第3期推出的“新型半导体材料的光电特性及应用”专题,了解半导体材料最新研究进展!
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徐新龙教授简介
徐新龙,西北大学光子学与光子技术研究所教授,博士生导师,入选陕西省人才计划和省科技新星,主要从事太赫兹物理和器件、超快光学、超材料及二维材料光电特性及应用等方面的研究与教学工作。获得陕西省杰出青年基金,为陕西省石墨烯制备及应用创新团队学术带头人。荣获省科学技术奖一等奖,二等奖各一项,获得授权国际专利一项,中国专利六项,发表学术论文130余篇,主持国家级,省部级科研项目10余项。