物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导热性差或不好的材料，如右图中所示的金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与金属和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。

 

　　半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。不久，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生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。在1874年，德国的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，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。1873年，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。半导体的这四个效应，虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多年呢？主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料，很多与材料相关的问题就难以说清楚。

 

　　半导体材料的早期应用

 

　　半导体的第一个应用就是利用它的整流效应作为检波器，就是点接触二极管（也俗称猫胡子检波器，即将一个金属探针接触在一块半导体上以检测电磁波）。除了检波器之外，在早期，半导体还用来做整流器、光伏电池、红外探测器等，半导体的四个效应都用到了。

 

　　从1907年到1927年，美国的物理学家研制成功晶体整流器、硒整流器和氧化亚铜整流器。1931年，兰治和伯格曼研制成功硒光伏电池。1932年，德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器，在二战中用于侦探飞机和船舰。二战时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效，英国就利用红外探测器多次侦探到了德国的飞机。 

 

　　晶体管的发明

 

　　晶体管的发明实际上是在1947年的12月23日的半年之前，当时贝尔实验室的研究人员已经看出了晶体管的商业价值，为写专利，保密了半年，到1947年12月23日，巴丁和布尔吞才正式公布了他们的发明，这也成为晶体管的正式发明日。他们用了一个非常简单的装置，就是在一块锗晶体上，用两个非常细的金属针尖扎在锗的表面，在一个针上加正电压，在另外一个探针上加一个负电压，我们现在分别称为发射极和集电极，N型锗就变成了一个基极，这样就形成了一个有放大作用的PNP晶体管。

 

　　巴丁和布尔吞当时在肖克莱领导的研究小组工作，虽然肖克莱时任组长，但是在发明专利上没有他的名字，他心里很不愉快。为此，在很短的时间内，即在晶体管发明不久之后的1948年1月23日，他提出了一个不是点接触而是面接触式晶体管结构。后来证明这种结构才真正有价值。

 

　　巴丁和布尔吞在保密了将近半年后才公布了他们的发明，发明公布以后，当时的反应并不如期望的热烈。《纽约时报》将这个消息放在了第46版收音机谈话的最后，只有短短的几句话；当时的学术杂志对此也不是非常热衷。由于当时的反应并不是他们想象的那样强烈，所以在1952年的4月份，为了推广他们的这个发明，又再次举办了公众听证会，就是想把他们的研究成果公布于企业界。当时他们邀请了美国众多做真空管的公司，每一个公司只需交纳25000美元就可以参加这个听证会，而且给予的许诺是如果将来要是采用了他的技术，听这个报告会的25000美元入场费可以从中扣除。当时大概有几十家公司参加了听证会，然而大多数的人都是做真空管的，他们对半导体晶体管的意义不以为然，不是非常感兴趣。试想如果晶体管的发明得到了成功应用，那么真空管就会慢慢的消失了。所以从这个角度看，他们的热情不高也是可以理解的。但是科学界对这个发明还是给予了很高的评价，1956年，巴丁、布尔吞和肖克莱三人被授予诺贝尔物理学奖。

 

　　但今日来看，晶体管的发明不仅引起了电子工业的革命，而是彻底的改变了我们人类的生产、生活方式。我们今天日常所用的电器几乎没有一样不用晶体管，如通信、电脑、电视、航天、航空等等。 

 

　　半导体材料

 

　　今天，半导体已广泛地用于家电、通讯、工业制造、航空、航天等领域。1994年，电子工业的世界市场份额为6910亿美元，1998年增加到9358亿美元。而其中由于美国经济的衰退，导致了半导体市场的下滑，即由1995年的1500多亿美元，下降到1998年的1300多亿美元。经过几年的徘徊，目前半导体市场已有所回升。

 

　　硅单晶及其外延

 

　　现在电子元器件90％以上都是由硅材料制备的，全世界与硅相关的电子工业产值接近一万亿美元。直拉法是目前主要用于生产硅单晶的方法。上世纪50到60年代，拉出的硅单晶直径只有两英寸，现在8英寸，12英寸、长达1米多的硅单晶都已实现了规模生产。18英寸，就是直径为45厘米硅单晶业已研制成功。下图是一个12英寸直拉硅单晶照片，有1米多长！（编者注：图略）

 

　　目前，单晶硅的世界年产量已超过一万吨。硅集成电路主要用的是8英寸硅，但12英寸硅的用量逐年增加，预计到2012年18英寸的硅可能用于集成电路制造，27英寸的硅晶体研制也正在筹划中。

 

　　硅的直径为什么不是按8英寸、10英寸、12英寸、14英寸发展，而是从8到12英寸，由12到18英寸，18到27英寸发展呢？硅集成电路的发展遵循《摩尔定律》，所谓《摩尔定律》就是每18个月集成电路的集成度增加一倍，而它的价格也要降低一半。所以目前在大城市里，差不多每家每户，甚至每个人都有一个PC机，因为机器性能好，价格又低。正是由于硅单晶的直径增大带来的好处，生产线用12英寸的硅片要比用8英寸硅片生产的芯片成本低得多。

 

　　随着硅的直径增大，杂质氧等杂质在硅锭和硅片中的分布也变得不均匀，这将严重的影响集成电路的成品率，特别是高集成度电路。为避免氧的沉淀带来的问题，可采用外延的办法解决。何为外延？即用硅单晶片为衬底，然后在其上通过气相反应方法再生长一层硅，如2个微米，1个微米，或0.5个微米厚等。这一层外延硅中的氧含量就可以控制到1016/cm3以下，器件和电路就做在外延硅上，而不是原来的硅单晶上，这样就可解决由氧导致的问题。尽管成本将有所提高，但集成电路的集成度和运算速度都得到了显著提高，这是目前硅技术发展的一个重要方向。

 

　　硅材料的发展趋势，从提高集成电路的成品率、降低成本看，增大硅单晶的直径是发展的大趋势，向12英寸，18英寸方向发展；另一方面，从提高硅集成电路的速度和它的集成度看，发展适用于深亚微米乃至纳米电路的硅外延技术，制备高质量硅外延材料是关键。如前文所述，硅单晶中氧的沉淀将产生微缺陷，目前集成电路的线条宽度已达到0.1微米以下，如果缺陷的直径大小为1个微米或者是0.5个微米，一个电路片上有一个缺陷就会导致整个片子失效，这对集成电路的成品率将带来严重影响。