1960 年以前半导体单晶材料及半导体物理的发展

在发明晶体管时，只有中等纯度的多晶材料，无论是基础研究还是晶体管性能的改进都需要纯度高、完整性好的晶态半导体材料。第一个锗单晶的生长工作是蒂尔和李特尔(Little)完成的，这就使得制造出结型晶体管成为可能。结型晶体管的问世大大促进了半导体工业的出现。虽然人们从理论上认识到硅应该比锗好，但是由于硅的提纯更加困难， 第一批硅晶体管直到 1954 年才出现。60 年代初发明了平面晶体管，正是这一重大发现，开辟了通往现代集成电路的道路。

60 年代以前半导体的发展经历了如下步骤：

1947—1948 年 点接触型晶体管

1949 年 单晶生长，区域提纯

1950 年 结型晶体管

1952 年 晶体管助听器，收音机等

1954 年 硅晶体管

1960 年 平面晶体管技术

上述半导体器件和技术所取得的成就，主要依赖于高质量的半导体材料，而研制优质的单晶又有力地推动了半导体材料工艺、区域提纯、掺杂控制、平面工艺等技术的发展，使得锗和硅单晶成为纯度最高、结晶完整性最好、品质鉴定得最清楚的固体材料。由于有这些技术和材料， 才使固体物理学家的很多理论设想有可能在实验中得到体现。50 年代初海纳斯(Haynes)等人发表了著名的漂移迁移率实验，直接观察到了空穴的注入和运动，对能带理论给出了有决定意义的肯定和支持。皮尔逊等用磁阻实验第一次测定了 Ge 和 Si 的具体能带结构。1955 年德累塞豪斯(Dresselhause)用回旋共振实验方法进一步研究了 Ge、Si 能带结构的很多细节。光吸收的方法在研究禁带宽度、直接跃迁、间接跃迁过程也发挥了很重要的作用，这些重要实验不仅为深入认识半导体的电子结构提供了条件，而且也揭示了大量半导体的物理性质。在晶体管的发展过程中，非常好地体现了理论与实验之间相辅相成的关系。实验促进了理论的发展，能带理论得到令人信服的验证，新的物理概念不断涌现。60 年代以前在半导体物理学中出色的理论成果有：肖克利小组以固体能带论为理论基础，发明了点接触型晶体管，并在 1949 年根据能带论的基本思想创立了 p−n 结理论，发明了结型晶体管，为半导体事业的飞跃发展奠定了基础。1958 年日本物理学家江崎对一种特殊掺杂分布的 p−n 结二极

管的正向特性用量子隧道效应从理论上作出了精辟的说明。在实验中江崎发现，用高浓度材料制成的狭窄 p−n 结的伏安特性同一般晶体管不同，在加反向偏压时，电流很快增加；在加正向偏压时，开始电流增加很快，达到峰值后下降，形成一个负阻区。江崎用量子力学的隧道效应对这种反常伏安特性所作的解释不仅在理论上带来了突破性的进展，而且导致了隧道二极管的发明和使用。江崎因此而获得诺贝尔物理奖。