??作者：顏相寧

眾所周知

半導(dǎo)體是指一種電阻率介于金屬和絕緣體之間，并有負(fù)的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。作為“二十世紀(jì)最重要的新四大發(fā)明”之一，也作為二十一世紀(jì)集成電路、芯片等名詞的載體，這幾年里半導(dǎo)體的火熱程度從未退卻。

你以為半導(dǎo)體是最近幾十年才被發(fā)現(xiàn)的嗎？說(shuō)出來(lái)你可能不信，半導(dǎo)體的“發(fā)家史”實(shí)際上可以追溯到很久很久以前······

第一個(gè)意外

——不一樣的電導(dǎo)率

那是遙遠(yuǎn)的186年前的大清道光十三年，公歷1833年的一天，英國(guó)物理學(xué)家、“交流電之父”法拉第(MIChael Faraday，1791~1867)像往常一樣在做實(shí)驗(yàn)，可是突然間，他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)神奇的現(xiàn)象——有種材料的電阻隨溫度變化的現(xiàn)象很反常。這種材料是硫化銀。

一般情況下，像常見(jiàn)的金屬材料，它們的電阻都會(huì)隨著溫度升高而變大，但是硫化銀這種材料卻很反常，隨著溫度的上升，它的電阻越來(lái)越低，導(dǎo)電性越來(lái)越強(qiáng)。就是說(shuō)：呈現(xiàn)出負(fù)的電阻溫度系數(shù)。

隨著科技的發(fā)展，人們觀測(cè)到了半導(dǎo)體在室溫時(shí)電阻率約在10^-5～10^-7(歐·米)之間，隨著溫度升高，電阻率指數(shù)會(huì)減小。從那之后，這個(gè)區(qū)別于常見(jiàn)材料的性質(zhì)就成為了識(shí)別這種材料的第一個(gè)特征，不過(guò)在那個(gè)時(shí)候，這種材料還是沒(méi)有“半導(dǎo)體”這個(gè)名字。

第二個(gè)意外

——光生伏特效應(yīng)

六年后的1839年，年僅19歲的法國(guó)物理學(xué)家亞歷山大.貝克勒爾（Alexandre Edmond Becquerel, 1820—1891）在協(xié)助父親做實(shí)驗(yàn)時(shí)意外地發(fā)現(xiàn)：將兩片金屬浸入溶液和電解質(zhì)接觸構(gòu)成伏打電池，當(dāng)這個(gè)體系受到陽(yáng)光照射后產(chǎn)生了一個(gè)額外的電壓。

直到1883年，又有學(xué)者發(fā)現(xiàn)：將硒和金屬兩種固體接觸所形成的結(jié)受到光照時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生額外的電勢(shì)，后來(lái)人們就把這種現(xiàn)象稱作光生伏特效應(yīng)，將能夠產(chǎn)生此效應(yīng)的器件稱為光伏器件。

光生伏特效應(yīng)，也叫光生伏打效應(yīng)，是半導(dǎo)體第二個(gè)被發(fā)現(xiàn)的特征。但直到這時(shí)候，這種材料還是沒(méi)有“半導(dǎo)體”這個(gè)名字。（是不是有點(diǎn)替半導(dǎo)體焦急了）

第三個(gè)意外

——光電效應(yīng)

在1873年，英國(guó)科學(xué)家威勒畢·史密斯(Willoughby Smith)在進(jìn)行與水下電纜相關(guān)的一項(xiàng)任務(wù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，光照會(huì)促使硒圓柱的電導(dǎo)增加。這個(gè)現(xiàn)象后來(lái)被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。

又過(guò)了14年，在1887年，德國(guó)物理學(xué)者海因里?！ず掌潱℉einrich Rudolf Hertz，1857－1894）在實(shí)驗(yàn)中真正觀察到了光電效應(yīng)，后來(lái)愛(ài)因斯坦第一個(gè)成功的解釋了光電效應(yīng)。這種特質(zhì)成為了半導(dǎo)體的又一個(gè)特有的標(biāo)簽。

大家都知道，光可以看作是由攜帶一份一份的能量的光子組成的。當(dāng)有光照射的時(shí)候，半導(dǎo)體材料就可能吸收入射光子能量。吸收了能量的電子會(huì)“躁動(dòng)”起來(lái)了，獲得動(dòng)能的增加，當(dāng)動(dòng)能增大到足以克服原子核的吸引力時(shí)，它就能在十億分之一秒的時(shí)間內(nèi)飛逸出金屬表面，成為可以導(dǎo)電的光電子。

因?yàn)殡娮雍涂昭ㄊ浅蓪?duì)產(chǎn)生的，電子增多，空穴當(dāng)然也就增加了。而電子和空穴都是載流子，這時(shí)候載流子的濃度就能大大增加，使得半導(dǎo)體的導(dǎo)電性也大大增加，電阻也會(huì)相應(yīng)地減小。光敏電阻就是基于光電導(dǎo)效應(yīng)而制成的光電器件。

第四個(gè)意外

——整流效應(yīng)

1874年，德國(guó)航天工程師布勞恩（Ferdinand Braun，1850~1918)觀察到：某些硫化物是否能導(dǎo)電與其所加電場(chǎng)的方向有關(guān)。如果在它兩端加一個(gè)正向電壓，它就是導(dǎo)體；如果把電壓極性反過(guò)來(lái)，它就儼然成了絕緣體。

同年，出生在德國(guó)的英國(guó)物理學(xué)家舒斯特(Arthur Schuster，1851—1934)又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第四種特性。這個(gè)性質(zhì)也促成了半導(dǎo)體的第一個(gè)應(yīng)用——利用整流效應(yīng)制作的檢波器。

雖然，在1880年以前，半導(dǎo)體的這4個(gè)效應(yīng)就先后被發(fā)現(xiàn)了，但是“半導(dǎo)體”這個(gè)名字的出現(xiàn)大概到了1911年，由考尼白格和維斯首次使用了。當(dāng)然，總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性的工作一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。

也是在這一年，因?yàn)殒N材料晶體管的誕生，讓半導(dǎo)體材料真正走上了歷史舞臺(tái)。而直到1954年，第一個(gè)硅晶體管才誕生；直到上世紀(jì) 60 年代后期，硅材料才逐漸取代了鍺并一直“活躍”至今～～

但讓人驚訝的是：到了這個(gè)時(shí)候，距離半導(dǎo)體的第一個(gè)特性被發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)足足120年有余了～～哦對(duì)了，硅（Si），就是組成石頭的元素之一，也是地球上第二多的元素（扣題）。

直到現(xiàn)代，不僅硅、鍺等為代表的第一代半導(dǎo)體材料得到了廣泛的應(yīng)用，還有了以GaAs為代表的第二代化合物半導(dǎo)體材料、以GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料，而且它們也分別在各自的領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱，也許你不認(rèn)識(shí)它們，但它們的產(chǎn)品的的確確已經(jīng)成為了人們生活中不可或缺的必需品。

半導(dǎo)體材料從發(fā)現(xiàn)到發(fā)展，從應(yīng)用到創(chuàng)新，經(jīng)歷了逾越百年的路程。也許您心生疑問(wèn)，為什么半導(dǎo)體被認(rèn)可需要這么多年呢？相寧猜測(cè)這其中的主要原因也許是當(dāng)時(shí)的材料不純。沒(méi)有好的材料，很多與材料相關(guān)的問(wèn)題就難以說(shuō)清楚了吧。

End

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