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。可以簡單的把介於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後，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於壹般金屬，壹般情況下，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，在光照下會產生壹個電壓，這就是後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，在它兩端加壹個正向電壓，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，這是半導體又壹個特有的性質。半導體的這四個效應，雖在1880年以前就先後被發現了，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壹直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。很多人會疑問，為什麽半導體被認可需要這麽多年呢？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
半導體的第壹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，即將壹個金屬探針接觸在壹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，德國先後研制成功硫化鉛、硒化鉛和碲化鉛等半導體紅外探測器，在二戰中用於偵探飛機和船艦。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。他們用了壹個非常簡單的裝置，就是在壹塊鍺晶體上，用兩個非常細的金屬針尖紮在鍺的表面，在壹個針上加正電壓，在另外壹個探針上加壹個負電壓，我們現在分別稱為發射極和集電極，N型鍺就變成了壹個基極，這樣就形成了壹個有放大作用的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，他心裏很不愉快。為此，在很短的時間內，即在晶體管發明不久之後的1948年1月23日，他提出了壹個不是點接觸而是面接觸式晶體管結構。後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後才公布了他們的發明，發明公布以後，當時的反應並不如期望的熱烈。《紐約時報》將這個消息放在了第46版收音機談話的最後，只有短短的幾句話；當時的學術雜誌對此也不是非常熱衷。由於當時的反應並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於企業界。當時他們邀請了美國眾多做真空管的公司，每壹個公司只需交納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，那麽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壹樣不用晶體管，如通信、電腦、電視、航天、航空等等。
半導體材料
今天，半導體已廣泛地用於家電、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。而其中由於美國經濟的衰退，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。
矽單晶及其外延
現在電子元器件90％以上都是由矽材料制備的，全世界與矽相關的電子工業產值接近壹萬億美元。直拉法是目前主要用於生產矽單晶的方法。上世紀50到60年代，拉出的矽單晶直徑只有兩英寸，現在8英寸，12英寸、長達1米多的矽單晶都已實現了規模生產。18英寸，就是直徑為45厘米矽單晶業已研制成功。下圖是壹個12英寸直拉矽單晶照片，有1米多長！（編者註：圖略）
目前，單晶矽的世界年產量已超過壹萬噸。矽集成電路主要用的是8英寸矽，但12英寸矽的用量逐年增加，預計到2012年18英寸的矽可能用於集成電路制造，27英寸的矽晶體研制也正在籌劃中。
矽的直徑為什麽不是按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？矽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壹倍，而它的價格也要降低壹半。所以目前在大城市裏，差不多每家每戶，甚至每個人都有壹個PC機，因為機器性能好，價格又低。正是由於矽單晶的直徑增大帶來的好處，生產線用12英寸的矽片要比用8英寸矽片生產的芯片成本低得多。
隨著矽的直徑增大，雜質氧等雜質在矽錠和矽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。為避免氧的沈澱帶來的問題，可采用外延的辦法解決。何為外延？即用矽單晶片為襯底，然後在其上通過氣相反應方法再生長壹層矽，如2個微米，1個微米，或0.5個微米厚等。這壹層外延矽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矽上，而不是原來的矽單晶上，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，這是目前矽技術發展的壹個重要方向。
矽材料的發展趨勢，從提高集成電路的成品率、降低成本看，增大矽單晶的直徑是發展的大趨勢，向12英寸，18英寸方向發展；另壹方面，從提高矽集成電路的速度和它的集成度看，發展適用於深亞微米乃至納米電路的矽外延技術，制備高質量矽外延材料是關鍵。如前文所述，矽單晶中氧的沈澱將產生微缺陷，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，壹個電路片上有壹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。
目前全世界矽單晶的產量大約是壹萬噸，我國每年大約是1000噸。制備矽單晶的原材料是多晶矽，而我國多晶矽的年產量不足100噸，僅占全世界的千分之幾。從目前我國矽材料的發展勢頭來看，估計到2010年，我國的微電子的技術會有壹個大發展，大概可能達到世界百分之二十左右的水平。從集成電路的線寬來看，我國目前集成電路工藝技術水平在0.35－0.25微米，而國際上目前的生產技術已達到0.13-0.09微米，在實驗室70納米的技術也已經通過考核。去年，在北京建成投產的（中芯國際）集成電路技術已進入0.13微米，並即將升級到0.09微米，因而我國的微電子集成電路技術同國外的差距也縮短到1－2代了。
矽微電子技術
矽微電子技術是不是可以按照《摩爾定律》永遠發展下去呢？目前矽的集成電路大規模生產技術已經達到0.13－0.09微米，進壹步將到0.07微米，也就是70個納米甚至更小。根據預測，到2022年，矽集成電路技術的線寬可能達到10個納米，這個尺度被認為是矽集成電路的“物理極限”。就是說，尺寸再減小，就會遇到有很多難以克服的問題。當然這裏說的10納米，並不是壹個最終的結論。隨著技術的發展，特別是納米加工技術的發展，也可能把這個“極限”尺寸進壹步減小；但總有壹天，當代的矽微電子技術會走到盡頭。
隨著集成電路線寬的進壹步減小，矽微電子技術必然要遇到許多難以克服的問題，如CMOS器件溝道摻雜原子的統計分布漲落問題。比如說長度為100個納米的源和漏電極之間，摻雜原子也只有100個左右，如何保證這100個原子在成千上萬個器件裏的分布保持壹致，顯然是不可能的，至少也是非常困難的。也就說雜質原子分布的漲落，將導致器件性能不壹，性質的不壹致，就難保證電路的正常工作。又如MOS器件的柵極下面的絕緣層就是二氧化矽，它的厚度隨著器件尺寸的變小而變小，當溝道長度達到0.1個微米時，SiO2的厚度大概也在壹個納米左右。盡管上面加的柵電壓很低，如壹個納米上加0.5伏或者是壹伏電壓，但是加在其上的電場強度就要達到每厘米5-10兆伏以上，超過了材料的擊穿電壓。當這個厚度非常薄的時候，即使不發生擊穿，電子隧穿的幾率也很高，將導致器件無法正常工作。
隨著集成電路集成度的提高，芯片的功耗也急劇增加，使其難以承受；現在電腦CPU的功耗已經很高，如果說將來把它變成“納米結構”，即不采用新原理，只是按《摩爾定律》走下去，進壹步提高集成度，那麽加在它上面的功耗就有可能把矽熔化掉！另外壹個問題是光刻技術，目前大約可以做到0.1微米，雖然還有些正在發展的光刻技術，如X光、超紫外光刻技術等，但要滿足納米加工技術的需求，還相差很遠。再者，就是電路器件之間的互連問題，對每壹個芯片來說，每壹個平方厘米上有上千萬、上億只管子，管子與管子之間的聯線的長度要占到器件面積的60—70％，現在的連線就多達8層到10多層，盡管兩個管子之間的距離可以做得很小，但是從這個管子到另外壹個管子，電子走的路徑不是直線，而要通過很長的連線。我們知道線寬越窄，截面越小，電阻越大，加上分布電容，電子通過引線所需的時間就很長，這就使CPU的速度變慢。另外納米加工的制作成本也很高，由於這些原因，矽基微電子技術最終將沒有辦法滿足人類對信息量不斷增長的需求。
人們要想突破上述的“物理極限”，就要探索新原理、開發新技術，如量子計算、光計算機等，它們的工作原理是與現在的完全不同，尚處於初始的探索階段。在目前這個過渡期間，人們把希望放在發展新型半導體材料和開發新技術上，比如說GaAs、InP和GaN基材料體系，采用這些材料，可以提高器件和電路的速度以及解決由於集成度的提高帶來的功耗增加出現的問題。
GaAs和InP單晶材料
化合物半導體材料，以砷化鎵（GaAs）為例，有以下幾個特點，壹是發光效率比較高，二是電子遷移率高，同時可在較高溫度和在其它惡劣的環境下工作，特別適合於制作超高速、超高頻、低噪音的電路，它的另壹個優勢是可以實現光電集成，即把微電子和光電子結合起來，光電集成可大大的提高電路的功能和運算的速度。
寬帶隙半導體材料
氮化鎵、碳化矽和氧化鋅等都是寬帶隙半導體材料，因為它的禁帶寬度都在3個電子伏以上，在室溫下不可能將價帶電子激發到導帶。器件的工作溫度可以很高，比如說碳化矽可以工作到600攝氏度；金剛石如果做成半導體，溫度可以更高，器件可用在石油鉆探頭上收集相關需要的信息。它們還在航空、航天等惡劣環境中有重要應用。現在的廣播電臺、電視臺，唯壹的大功率發射管還是電子管，沒有被半導體器件代替。這種電子管的壽命只有兩三千小時，體積大，且非常耗電；如果用碳化矽的高功率發射器件，體積至少可以減少幾十到上百倍，壽命也會大大增加，所以高溫寬帶隙半導體材料是非常重要的新型半導體材料。
現在的問題是這種材料非常難生長，矽上長矽，砷化鎵上長GaAs，它可以長得很好。但是這種材料大多都沒有塊體材料，只得用其它材料做襯底去長。比如說氮化鎵在藍寶石襯底上生長，藍寶石跟氮化鎵的熱膨脹系數和晶格常數相差很大，長出來的外延層的缺陷很多，這是最大的問題和難關。另外這種材料的加工、刻蝕也都比較困難。目前科學家正在著手解決這個問題。如果這個問題壹旦解決，就可以為我們提供壹個非常廣闊的發現新材料的空間。
低維半導體材料
實際上這裏說的低維半導體材料就是納米材料，之所以不願意使用這個詞，主要是不想與現在熱炒的所謂的納米襯衣、納米啤酒瓶、納米洗衣機等混為壹談！從本質上看，發展納米科學技術的重要目的之壹，就是人們能在原子、分子或者納米的尺度水平上來控制和制造功能強大、性能優越的納米電子、光電子器件和電路，納米生物傳感器件等，以造福人類。可以預料，納米科學技術的發展和應用不僅將徹底改變人們的生產和生活方式，也必將改變社會政治格局和戰爭的對抗形式。這也是為什麽人們對發展納米半導體技術非常重視的原因。
電子在塊體材料裏，在三個維度的方向上都可以自由運動。但當材料的特征尺寸在壹個維度上比電子的平均自由程相比更小的時候，電子在這個方向上的運動會受到限制，電子的能量不再是連續的，而是量子化的，我們稱這種材料為超晶格、量子阱材料。量子線材料就是電子只能沿著量子線方向自由運動，另外兩個方向上受到限制；量子點材料是指在材料三個維度上的尺寸都要比電子的平均自由程小，電子在三個方向上都不能自由運動，能量在三個方向上都是量子化的。
由於上述的原因，電子的態密度函數也發生了變化，塊體材料是拋物線，電子在這上面可以自由運動；如果是量子點材料，它的態密度函數就像是單個的分子、原子那樣，完全是孤立的 函數分布，基於這個特點，可制造功能強大的量子器件。
現在的大規模集成電路的存儲器是靠大量電子的充放電實現的。大量電子的流動需要消耗很多能量導致芯片發熱，從而限制了集成度，如果采用單個電子或幾個電子做成的存儲器，不但集成度可以提高，而且功耗問題也可以解決。目前的激光器效率不高，因為激光器的波長隨著溫度變化，壹般來說隨著溫度增高波長要紅移，所以現在光纖通信用的激光器都要控制溫度。如果能用量子點激光器代替現有的量子阱激光器，這些問題就可迎刃而解了。
基於GaAs和InP基的超晶格、量子阱材料已經發展得很成熟，廣泛地應用於光通信、移動通訊、微波通訊的領域。量子級聯激光器是壹個單極器件，是近十多年才發展起來的壹種新型中、遠紅外光源，在自由空間通信、紅外對抗和遙控化學傳感等方面有著重要應用前景。它對MBE制備工藝要求很高，整個器件結構幾百到上千層，每層的厚度都要控制在零點幾個納米的精度，我國在此領域做出了國際先進水平的成果；又如多有源區帶間量子隧穿輸運和光耦合量子阱激光器，它具有量子效率高、功率大和光束質量好的特點,我國已有很好的研究基礎；在量子點（線）材料和量子點激光器等研究方面也取得了令國際同行矚目的成績。
小結
從整個半導體材料和信息技術發展來看，目前的信息載體主要是電子，即電子的電荷（電流）。電子還有壹個屬性，電子的自旋，我們尚未用上。如果我們再把電子的自旋用上，就增加了壹個自由度，這也是人們目前研究的方向之壹。我們從電子材料矽、鍺發展到光電子材料GaAs和InP，GaN等，就是電子跟光子可以結合壹起使用的材料，光電子材料比電子材料的功能更強大；再下壹代的材料很可能是光子材料。我們現在只用了光子的振幅，而光的偏振和光的位相應用還未開發出來，所以這給我們研究者留下了非常廣闊的天地。從材料的發展來看，從塊體材料向薄層、超薄層，低維（納米）結構材料和功能芯片材料方向發展；功能芯片可能是有機跟無機的結合，也可以是生命與有機和無機的結合，這也為我們提供了壹個非常廣闊的創新的天地，我相信人們將來能在這個領域大有作為。