物質存在的形式多種多樣，固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導電性和導熱性差或不好的材料，如右圖中所示的金剛石、人工晶體、琥珀、陶瓷等等，稱為絕緣體。而把導電、導熱都比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體。可以簡單的把介于導體和絕緣體之間的材料稱為半導體。與金屬和絕緣體相比，半導體材料的發現是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術改進以后，半導體的存在才真正被學術界認可。

 

　　半導體的發現實際上可以追溯到很久以前，1833年，英國巴拉迪最先發現硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發現硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導體現象的首次發現。不久，1839年法國的貝克萊爾發現半導體和電解質接觸形成的結，在光照下會產生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應，這是被發現的半導體的第二個特征。在1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關，即它的導電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導電，這就是半導體的整流效應，也是半導體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發現了銅與氧化銅的整流效應。1873年，英國的史密斯發現硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應，這是半導體又一個特有的性質。半導體的這四個效應，雖在1880年以前就先后被發現了，但半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。很多人會疑問，為什么半導體被認可需要這么多年呢？主要原因是當時的材料不純。沒有好的材料，很多與材料相關的問題就難以說清楚。

 

　　半導體材料的早期應用

 

　　半導體的第一個應用就是利用它的整流效應作為檢波器，就是點接觸二極管（也俗稱貓胡子檢波器，即將一個金屬探針接觸在一塊半導體上以檢測電磁波）。除了檢波器之外，在早期，半導體還用來做整流器、光伏電池、紅外探測器等，半導體的四個效應都用到了。

 

　　從1907年到1927年，美國的物理學家研制成功晶體整流器、硒整流器和氧化亞銅整流器。1931年，蘭治和伯格曼研制成功硒光伏電池。1932年，德國先后研制成功硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛等半導體紅外探測器，在二戰中用于偵探飛機和船艦。二戰時盟軍在半導體方面的研究也取得了很大成效，英國就利用紅外探測器多次偵探到了德國的飛機。 

 

　　晶體管的發明

 

　　晶體管的發明實際上是在1947年的12月23日的半年之前，當時貝爾實驗室的研究人員已經看出了晶體管的商業價值，為寫專利，保密了半年，到1947年12月23日，巴丁和布爾吞才正式公布了他們的發明，這也成為晶體管的正式發明日。他們用了一個非常簡單的裝置，就是在一塊鍺晶體上，用兩個非常細的金屬針尖扎在鍺的表面，在一個針上加正電壓，在另外一個探針上加一個負電壓，我們現在分別稱為發射極和集電極，N型鍺就變成了一個基極，這樣就形成了一個有放大作用的PNP晶體管。

 

　　巴丁和布爾吞當時在肖克萊領導的研究小組工作，雖然肖克萊時任組長，但是在發明專利上沒有他的名字，他心里很不愉快。為此，在很短的時間內，即在晶體管發明不久之后的1948年1月23日，他提出了一個不是點接觸而是面接觸式晶體管結構。后來證明這種結構才真正有價值。

 

　　巴丁和布爾吞在保密了將近半年后才公布了他們的發明，發明公布以后，當時的反應并不如期望的熱烈。《紐約時報》將這個消息放在了第46版收音機談話的最后，只有短短的幾句話；當時的學術雜志對此也不是非常熱衷。由于當時的反應并不是他們想象的那樣強烈，所以在1952年的4月份，為了推廣他們的這個發明，又再次舉辦了公眾聽證會，就是想把他們的研究成果公布于企業界。當時他們邀請了美國眾多做真空管的公司，每一個公司只需交納25000美元就可以參加這個聽證會，而且給予的許諾是如果將來要是采用了他的技術，聽這個報告會的25000美元入場費可以從中扣除。當時大概有幾十家公司參加了聽證會，然而大多數的人都是做真空管的，他們對半導體晶體管的意義不以為然，不是非常感興趣。試想如果晶體管的發明得到了成功應用，那么真空管就會慢慢的消失了。所以從這個角度看，他們的熱情不高也是可以理解的。但是科學界對這個發明還是給予了很高的評價，1956年，巴丁、布爾吞和肖克萊三人被授予諾貝爾物理學獎。

 

　　但今日來看，晶體管的發明不僅引起了電子工業的革命，而是徹底的改變了我們人類的生產、生活方式。我們今天日常所用的電器幾乎沒有一樣不用晶體管，如通信、電腦、電視、航天、航空等等。 

 

　　半導體材料

 

　　今天，半導體已廣泛地用于家電、通訊、工業制造、航空、航天等領域。1994年，電子工業的世界市場份額為6910億美元，1998年增加到9358億美元。而其中由于美國經濟的衰退，導致了半導體市場的下滑，即由1995年的1500多億美元，下降到1998年的1300多億美元。經過幾年的徘徊，目前半導體市場已有所回升。

 

　　硅單晶及其外延

 

　　現在電子元器件90％以上都是由硅材料制備的，全世界與硅相關的電子工業產值接近一萬億美元。直拉法是目前主要用于生產硅單晶的方法。上世紀50到60年代，拉出的硅單晶直徑只有兩英寸，現在8英寸，12英寸、長達1米多的硅單晶都已實現了規模生產。18英寸，就是直徑為45厘米硅單晶業已研制成功。下圖是一個12英寸直拉硅單晶照片，有1米多長！（編者注：圖略）

 

　　目前，單晶硅的世界年產量已超過一萬噸。硅集成電路主要用的是8英寸硅，但12英寸硅的用量逐年增加，預計到2012年18英寸的硅可能用于集成電路制造，27英寸的硅晶體研制也正在籌劃中。

 

　　硅的直徑為什么不是按8英寸、10英寸、12英寸、14英寸發展，而是從8到12英寸，由12到18英寸，18到27英寸發展呢？硅集成電路的發展遵循《摩爾定律》，所謂《摩爾定律》就是每18個月集成電路的集成度增加一倍，而它的價格也要降低一半。所以目前在大城市里，差不多每家每戶，甚至每個人都有一個PC機，因為機器性能好，價格又低。正是由于硅單晶的直徑增大帶來的好處，生產線用12英寸的硅片要比用8英寸硅片生產的芯片成本低得多。

 

　　隨著硅的直徑增大，雜質氧等雜質在硅錠和硅片中的分布也變得不均勻，這將嚴重的影響集成電路的成品率，特別是高集成度電路。為避免氧的沉淀帶來的問題，可采用外延的辦法解決。何為外延？即用硅單晶片為襯底，然后在其上通過氣相反應方法再生長一層硅，如2個微米，1個微米，或0.5個微米厚等。這一層外延硅中的氧含量就可以控制到1016/cm3以下，器件和電路就做在外延硅上，而不是原來的硅單晶上，這樣就可解決由氧導致的問題。盡管成本將有所提高，但集成電路的集成度和運算速度都得到了顯著提高，這是目前硅技術發展的一個重要方向。

 

　　硅材料的發展趨勢，從提高集成電路的成品率、降低成本看，增大硅單晶的直徑是發展的大趨勢，向12英寸，18英寸方向發展；另一方面，從提高硅集成電路的速度和它的集成度看，發展適用于深亞微米乃至納米電路的硅外延技術，制備高質量硅外延材料是關鍵。如前文所述，硅單晶中氧的沉淀將產生微缺陷，目前集成電路的線條寬度已達到0.1微米以下，如果缺陷的直徑大小為1個微米或者是0.5個微米，一個電路片上有一個缺陷就會導致整個片子失效，這對集成電路的成品率將帶來嚴重影響。