§13.6 半导体物理和实验技术的蓬勃发展
半导体基础理论和实验技术的研究在阐明半导体微观结构和宏观性质方面所取得的杰出成就使得半导体物理成为现代固体物理学最活跃的研究领域之一。
13.6.1 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。
13.6.2 1960年以后半导体器件的小型化和集成化进一步促进了半导体物理的发展
60年代初，人们在晶体管发展的基础上发明了集成电路，这是半导体发展中的一次飞跃。它标志着半导体器件由小型化开始进入集成化时期。所谓集成电路指的是把二极管、三极管（晶体管）以及电阻、电容都制做在同一个硅芯片上，使一个片子所完成的不再是一个晶体管的放大或开关效应，而是具有一个电路的功能。60年代出现了在一块硅芯片上（通常面积小于1厘米2）包含几十个晶体管的小规模集成电路；随着硅平面工艺的突破和进展，70年代集成度大大提高，发展了包括几万个晶体管的大规模集成电路。集成电路的发展使电子器件的成本大大降低，1976年的成本只有1956年的十万分之一。所以半导体电子设备深入到社会各个角落，并且使人类社会从工业社会发展到信息社会。
半导体是一门技术性很强的科学，特别是小型化、集成化对材料质量的极高要求，有力地促进了超纯、超净、超精细加工技术的开发和发展。杂质及其含量对半导体性能有极明显的影响，例如硅中只要掺入百万分之一的磷原子，电导率就会提高10万倍左右。所以要严格地控制半导体中杂质的含量，这就要求发展超纯技术。灰尘不仅会在材料加工中混入而影响纯度，而且器件加工过程中沾污了灰尘会造成表面和结构缺陷以及不需要的杂质吸附，使器件性能变坏。小型化必须要求发展精细加工。现在，超纯、超净、超精细加工技术不仅推动了半导体技术的发展，而且已成为一项重要的现代科学实验技术。
半导体的小型化、集成化过程中不断地提出许多理论和基础研究课题，如由于不断小型化，器件结构越来越接近表面；而半导体器件的特性受表面影响很大，使得表面物理的研究受到了极大的重视。现在人们对表面结构、能带的弯曲、表面态的分布等进行着深入的研究。
小型化的不断前进，要求对半导体器件进行原子级加工。即人类利用现代的微加工实验手段，在精确控制的情况下，一层一层地把原子生长到材料上，也可以一个一个地把原子刻蚀剥离掉，制备预先设计好的材料和器件。最近几年发展起来的分子束外延（MBE）技术、金属有机氯化物汽相沉积（MOCVD）技术可以进行原子层级生长超晶格半导体材料，离子束刻蚀技术可以对半导体材料进行原子级刻蚀剥离。这是半导体小型化技术的一次重大革新。当样品的尺寸小于电子的平均自由程，小于光的波长时，电子、光子在固体中的行为如何？原先的一套理论已不再适用，需要建立新的理论体系，研究新的器件设计思想，提出新的工艺方案，乃至建立新的学科。