前言

20世紀是發(fā)明的世紀。半導體科學和技術在這個發(fā)明的世紀中無疑是主角。關于這一點可以從諾貝爾獎的歷史中窺見一斑。1909年，布勞恩（Carl Braun）因為無線電報的發(fā)明而與馬可尼一道獲得了諾貝爾獎，布勞恩的貢獻包括半導體整流效應的發(fā)現(xiàn)，這對于信號檢測非常重要。1956年，Bell實驗室的肖克萊（W.B.Shockley）、巴丁（J.Bardeen）和布拉頓（W.H.Brattain）因為發(fā)明半導體晶體管（1948年）獲得諾貝爾物理學獎。肖克萊后來被稱作硅谷之父，他在19581960年任肖克萊晶體管公司經(jīng)理，管理著硅谷的第一家半導體企業(yè)。他手下曾出現(xiàn)過諾伊斯、摩爾這樣的IT精英人物，他們曾創(chuàng)辦仙童公司和英特爾公司。而巴丁是歷史上唯一一個兩次獲得諾貝爾物理學獎的人，他將低溫超導的BCS理論這樣的財富留給了后人。1973年，IBM公司的江崎玲玉奈（L.Easki）因為發(fā)現(xiàn)半導體量子隧道效應獲得諾貝爾物理學獎。1978年，當時還在Bell實驗室，后來在普林斯頓大學的安德森（P.W.Anderson）和英國劍橋大學卡文迪許教授和物理系主任的莫特（N.F.Mott）因為發(fā)現(xiàn)金屬和半導體中的無序效應及量子輸運獲得諾貝爾物理學獎。1985年，德國馬普固體物理研究所所長克林青（K.von Klitzing）因為發(fā)現(xiàn)半導體二維結構中的整數(shù)量子霍爾效應獲得諾貝爾物理學獎。1998年，當時還在Bell實驗室，后來分別在哥倫比亞大學、普林斯頓大學和斯坦福大學的斯托默（H.L.St�塺mer）、崔琦（D.C.Tsui）、勞克林（R.B.Laughlin）因為發(fā)現(xiàn)半導體二維結構中的分數(shù)量子霍爾效應獲得諾貝爾物理學獎。2000年，蘇聯(lián)科學院物理問題研究所阿爾弗雷夫（Z.I.Alferov）、美國加州大學克羅默（H.Kroemer）和德州儀器公司的基爾比（J.S.Kilby）共同獲得諾貝爾物理學獎。前兩位因為發(fā)明了半導體異質(zhì)結構，從而奠定了半導體微電子和光電子技術基礎而獲獎，而基爾比則是因為于1958年發(fā)明硅集成電路，即成功地實現(xiàn)了把電子器件集成在一塊半導體材料上的構想。2009年，高錕因為光纖而獲獎，Bell實驗室的博伊爾（Willard S.Boyle）和史密斯（George E.Smith）因發(fā)明電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器而獲獎。2010年，諾貝爾物理學獎授予英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），以表彰他們在石墨烯材料方面的卓越研究。2014年，諾貝爾物理獎授予發(fā)明有效藍色發(fā)光二極管（Light�瞖mitting diode，LED）的赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)和中村修二(Shuji Nakamura)。赤崎勇于1929年出生在日本知覽町(Chiran, Japan)，1964年于日本名古屋大學獲得博士學位。現(xiàn)為日本名城大學教授、日本名古屋大學特聘教授。天野浩于1960年出生于日本濱松，1989年于日本名古屋大學獲得博士學位，現(xiàn)為日本名古屋大學教授。中村修二，美國國籍，1954年出生于日本伊方町(Ikata, Japan)。1994年于日本德島大學獲得博士學位。現(xiàn)為美國加州大學圣巴巴拉分校教授。從上述諾貝爾物理獎獲獎情況可以看出： 半導體物理的研究不但可以揭示嶄新的物理現(xiàn)象，而且為人類社會特別是信息社會的發(fā)展奠定了幾乎全部的基礎和支柱（從信息的接受、處理、發(fā)射到傳輸，無一不是基于半導體器件）。人類使用材料的歷史就是人類的進步史。到目前為止，人類歷史經(jīng)歷了石器時代�层~器時代�茶F器時代�补杵鲿r代。硅器時代即半導體時代，我們現(xiàn)在處于半導體時代。可以預期的是，今后很長一段時間內(nèi)，仍將處于半導體時代。為什么歷史選擇了半導體？半導體材料為何能夠擔此重任？主要是因為其特性。實際上，半導體確實具有一些重要特性，主要包括： (1)溫度升高使半導體導電能力增強，電阻率下降。例如，室溫附近的純硅(Si)，溫度每增加8℃，電阻率相應地降低50%左右； (2)微量雜質(zhì)含量可以顯著改變半導體的導電能力，以純硅中每100萬個硅原子摻進一個Ⅴ族雜質(zhì)（比如磷）為例，這時硅的純度仍高達99.9999%，但電阻率在室溫下卻由大約214000cm降至0.2cm以下； (3)適當波長的光照可以改變半導體的導電能力，例如在絕緣襯底上制備的硫化鎘(CdS)薄膜，無光照時的暗電阻為幾十兆歐，當受光照后電阻值可以下降為幾十千歐。此外，半導體的導電能力還隨電場、磁場等的作用而改變。概括起來，半導體的性質(zhì)容易受到溫度、光照、磁場、電場和微量雜質(zhì)含量等因素的影響而發(fā)生改變，而正是半導體的這些特性使其獲得了廣泛的應用。除此之外，半導體在與半導體以及與其他材料接觸而形成界面（結）時，也會表現(xiàn)出與眾不同的效應來，這些效應成為各種半導體器件的基礎。為什么半導體會有這些出眾的表現(xiàn)？材料的性能主要決定于什么？實際上，關于這個問題的困惑久已有之。例如，在化學元素周期表上，銅和金在一族，但它們的性質(zhì)有天壤之別。銅很容易生銹，而金則可以永葆青春。由不同元素組成的材料，它們的差別究竟是如何造成的呢？即使是同一種材料，當尺度減小時性質(zhì)也會劇變，例如納米級別的金會失去其富貴之色而呈現(xiàn)黑色。這其中的緣由又是怎樣的呢？對這些問題的回答不是簡單幾句話就可以完成的。一般而言，材料的性質(zhì)決定于材料的結構，性質(zhì)是結構的外在反映，對材料的使用性能有決定性影響，而使用性能又與材料的使用環(huán)境密切相關。材料的結構取決于其組成、形成條件（包括制備工藝及加工過程）等因素。材料結構包括三個層次： 第一個層次是原子的空間排列，第二個層次是原子及電子結構，第三個層次是組織結構或相結構。如果材料中的原子排列非常規(guī)則且具有嚴格的周期性，就形成晶態(tài)結構； 反之則為非晶態(tài)結構。不同的結晶狀態(tài)具有不同的性能，如玻璃態(tài)的聚乙烯是透明的，而結晶聚乙烯是半透明的。原子中電子的排列在很大程度上決定了原子間的結合方式，決定了材料類型（金屬、非金屬、聚合物等），決定了材料的熱學、力學、光學、電學、磁學等性質(zhì)。晶粒之間的原子排列變化改變了它們之間的取向，從而影響材料的性能。其中晶粒的大小和形狀起關鍵作用。另外，大多數(shù)材料屬于多相材料，其中每一相都有自己獨特的原子排列和性能，因而控制材料結構中相的種類、大小、分布和數(shù)量就成為控制性能的有效方法。作為材料結構第一個層次，本書將首先介紹半導體的晶體結構。在此基礎之上討論半導體中的電子狀態(tài)與能帶結構（材料結構第二個層次）。為什么材料會有導體、半導體、絕緣體之分呢？或者換句話說，什么樣的材料可能是導體、半導體或絕緣體呢？固體能帶理論很好地回答了這個問題。能帶理論告訴我們，導體、半導體或絕緣體的差別在于它們的能帶結構，材料導電的條件是存在部分填充的能帶和小的禁帶。這一點會在第2章詳述。如前所述，半導體對摻雜十分敏感，其原因還需要從量子力學能帶理論來理解，本書第3章介紹了雜質(zhì)半導體及其雜質(zhì)能級。半導體工藝就是控制摻雜的工藝。從而控制電流，即控制載流子的流動。在本書的第4、5章介紹電流的計算方法。首先在第4章介紹載流子濃度的計算方法，在第5章則具體討論半導體中漂移電流、擴散電流等各種電流的計算和影響因素。其中溫度對遷移率和電子濃度等的影響非常巨大，正如前文所述，這是半導體的一個重要性質(zhì)。第6章介紹光照對半導體的影響。討論了非平衡載流子的產(chǎn)生與復合。半導體pn結結構、半導體�步饘俳Y構、MOS結構、半導體異質(zhì)結構是搭建半導體器件的4種基本結構。本書將在第7~10章分別介紹。目前，硅(Si)和砷化鎵(GaAs)是半導體器件和集成電路生產(chǎn)中使用最多的半導體材料。本書的討論也主要以這兩種半導體材料為主。半導體科學與技術經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，仍然充滿活力。2014年藍光LED獲得諾貝爾獎就是實例。關于LED以及白光照明等現(xiàn)狀及原理肯定是讀者所關心的。這部分內(nèi)容將在第11章介紹。半導體另一個活躍的領域是所謂低維系統(tǒng)。量子限域效應帶來的新效應正逐漸獲得應用。關于半導體低維結構將在第12章簡介。另一方面，從前面關于諾貝爾物理學獎的介紹似乎還可以總結出一個結論，那就是： 諾貝爾物理學獎越來越接近電子獎。應用問題始終是物理發(fā)現(xiàn)的原動力，這一點對后摩爾時代的人們也是如此。目前，傳統(tǒng)電子學理論面臨發(fā)展的瓶頸，發(fā)展新型器件是解決問題的關鍵。自旋電子器件是近年研究的熱點之一。另一種新型器件是隧穿場效應管。關于這方面的內(nèi)容將在第13、14章做簡要介紹。作者30年前畢業(yè)于半導體專業(yè)，與半導體物理淵源深厚。30年前的半導體物理教學與今天的半導體教學應該有什么樣的差別？首先是課時減少了，目前，很多學校進行了教學改革，減少課時量，提倡學生自主學習。另外，學生對象和學習目的不同了。隨著學分制改革的不斷深入，要求課程適應性更強，對象更廣。當然，還有學生興趣的差別，學生對實踐應用內(nèi)容的要求。所有這些，都對應了教學上的改革，首先應從教材入手。目前，相比于慕課、視頻公開課等方面，高校教材改革相對滯后。盡管目前已經(jīng)出版了不少新教材，但主要是為了滿足新專業(yè)的需求。傳統(tǒng)領域（如半導體物理）的教材改革步伐不大，除強調(diào)內(nèi)容的更新、概念的準確、體系的嚴密之外，乏善可陳。實際上，教材改革還有一個經(jīng)常被人忽略的方面，就是教材的科普化。這也是本書編寫的初衷之一。教材的科普化就是盡量從科普的角度、用科普的語言對相關內(nèi)容進行介紹，力求通俗易懂。這對于教材寫作還是有一定難度的，所以本書的科普還只限于部分內(nèi)容。例如第1、2章，本書的科普重點側重于以下內(nèi)容。材料的性質(zhì)究竟是由什么決定的？是晶體結構還是電子結構？第3章講述雜質(zhì)和缺陷的作用： 從青銅到鑄鐵，都是雜質(zhì)摻雜的結果,半導體工藝就是控制摻雜的工藝。半導體器件多是電流控制型器件，如何計算電流是一個關鍵問題。實際上，電流就是載流子的運動,載流子濃度的計算其實就是加權平均。這一點成為第4章的科普重點。1833年，英國科學家法拉第(Michal Faraday)發(fā)現(xiàn)了半導體的溫度效應,即本征半導體電阻率隨溫度下降，半導體理論如何解釋這一古老的發(fā)現(xiàn)成為第5章的科普重點。第6章是關于非平衡載流子的理論，并以光導材料為例進行說明。實際上史密斯（W.Smith）于1873年發(fā)現(xiàn)的硒的性質(zhì)是現(xiàn)代激光打印機和復印機的基礎。第7章介紹pn結，我們科普的重點是廣義歐姆定理。利用廣義歐姆定理可以很好地解釋平衡時能帶平直的現(xiàn)象。第8章的內(nèi)容是金屬和半導體的接觸現(xiàn)象，科普重點有兩個，首先1874年德國的布勞恩(K.F.Braun)發(fā)現(xiàn)硫化物的電導率與所加電壓的方向有關的現(xiàn)象就是肖特基結的整流特性； 另外，費米能級是表征摻雜水平的,如果費米能級發(fā)生釘扎(不隨摻雜改變)會發(fā)生什么效應。第9章介紹MOS結構和利用浮柵場效應管的閃存的基本原理，我們看到MOS場效應管類似于水龍頭。第10章在半導體異質(zhì)結構理論中，我們指出鋼筋水泥蘊含的材料生長原則對半導體同樣適用，另外強調(diào)超晶格（人工晶格）和超晶體（人工晶體）是有區(qū)別的。第11章的科普重點包括光是如何產(chǎn)生的，另外，目前熒光燈正被白光LED取代、液晶顯示正被OLED顯示取代，這種變化是如何發(fā)生的。第12章半導體低維結構中特別指出電子運動受限是其能量量子化的根源。第13章介紹基于半導體的傳統(tǒng)電子學的發(fā)展遇到了哪些瓶頸。第14章介紹隧道型量子器件。隨著半導體工藝由微米發(fā)展到納米，隧穿原理的應用已經(jīng)日益廣泛。在量子器件中有一類共振隧穿器件，這里的共振技術早有高端應用，例如微波爐等。教材科普化是當前教學改革和形勢發(fā)展的需要，本書的嘗試還只是初步的，希望能得到廣大讀者的認可。作者