三、从“量子力学的建立”到电子和信息技术 20世纪20年代无疑是理论物理学的黄金时代，在短短的几年之内，物理学家为了解决旧量子论的困难，在不同的地点，从不同的角度、以不同的形式，建立起一种描述微观世界的统一的基本理论——量子力学.它用严格的数学语言调和了波和粒子这两种对立的经典概念在描写同一微观客体时表现的矛盾.量子力学的建立为人类了解物质结构奠定了基础. 1926年，狄拉克在薛定谔的多体波函数启示下，开始研究全同粒子系统.他发现，如果描述全同粒子的多体波函数是对称的，这些粒子将服从玻色-爱因斯坦统计；如果这一波函数是反对称的，这些粒子将服从另一种统计，即费米狄拉克统计.虽然费米在几个月前就提出了这种统计法，但狄拉克却更深刻地揭示了统计类型与波函数对称性质间的关系，并证明了在波函数反对称条件下，新的统计是量子力学的必然结果.这一统计法的提出，使人类得知固体中的电子服从泡利原理. 1928年普朗克在应用量子力学研究金属导电问题中，提出固体能带理论的基本思想能带论.根据能带论，在外电场作用下，半导体导电是靠满带中的“空穴”和导带中的电子这两种载流子进行的.“空穴”参与的导电过程称为Ｐ型导电，电子参与的导电过程称为Ｎ型导电.半导体的许多奇异特性正是由“空穴”和电子所共同决定的，能带论第一次科学地阐明了固体为什么可按导电能力的强弱，分为绝缘体、导体、半导体. 1931年英国物理学家威尔逊在能带理论的基础上，提出半导体的物理模型．他认为，由于半导体自身存在的晶体缺陷和杂质原子，使得半导体具有两种导电类型：一种是“杂质导电”，即由于半导体中的杂质电离能远比禁带宽度小，所以在较低温度下可以把电子从施主能级上激发到导带，或把满带上的电子激发到受主能级上，从而电导率升高；另一种是“本征导电”，即把满带中的电子直接激发到导带上，而使电导率升高.显然，按照这两种导电机理，半导体所有变化多端的性能和广泛的应用价值，都是由杂质导电机理决定的.因为杂质导电随样品而异，而本征导电则是固定不变的.威尔逊模型相当完好地说明了与体内性质有关的半导体的行为特征，它奠定了半导体学科的理论基础. 1939年肖特基、莫特和达维多夫，在弗兰克尔金属半导体接触的表面理论基础上，应用金属与半导体接触的“势垒”概念，建立了解释金属半导体接触整流作用的“扩散理论”.这样，能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关联逐步发展起来的半导体理论模型，便大体上构成了确立晶体管这一技术发明目标的理论背景. 大致同时，随着无线电技术发展，在1930年后，短波和超短波通信发展起来，并出现了雷达技术.随着第二次世界大战的到来，对于这两方面的研究愈显得重要，真空管已经不能响应这两种技术中如此迅速变化的电信号，人们又重新回头研究半导体检波器和整流器.由于检波器的性能与半导体材料的纯度关系很大，人们为获得好的材料，对Ⅳ族元素Ge、Si的提纯、多晶制备，以及电学性质作了大量的研究工作.1935年后贝尔实验室的一批科学家转向研究Si材料，1940年，用真空熔炼方法拉制出多晶Si棒并且掌握了掺入Ⅲ、Ⅴ族杂质元素来制造Ｐ型和Ｎ型多晶Si的技术.还用生长过程中掺杂的方法制造出第一个Si的ＰＮ结，发现了Si中杂质元素的分凝现象，以及施主和受主杂质的补偿作用.1942年，普尔都大学物理系对Ｇｅ开展全面研究，同年夏天制出了第一个Ｇｅ的结，第二年形成反向击穿电压为100Ｖ的Ｇｅ二极管，并研究了Ge整流器的设计与应用方面的问题.到战争结束的时候，半导体科学已经奠定了较为坚实的实验和理论基础. 由于真空管在应用中暴露了坚固性、可靠性不够好，响应速度有限等缺点，科学家从20世纪30年代就开始寻找一种固体放大器来代替它.1945年，二次世界大战刚结束，贝尔实验室成立了一个固体物理研究组，主要成员有：物理学家肖克利、布拉顿、巴丁，还有一些电子线路专家、物理化学家、冶金学家的参与，在大家的共同努力下，于1947年12月23日成功发明了晶体管.晶体管是在半导体理论和实验基础上发明的.由于它展示了光辉的应用前景，从而激起人们为改善晶体管，努力研究半导体物理和技术的极大热情.20世纪50年代，一批原理、工艺新颖，性能优良的半导体二极管、晶体管，登上了应用舞台.它们中有结型场效应晶体管（1951），齐纳二极管（1952），可控硅（1957），肖特基势垒二极管（1960）等，使得晶体管已经在多方面能够代替真空管.同时，属于化合物半导体系列的InSb，AlSb和GaAs，也相继研制出来. 20世纪50年代末期，由于科学家在研究半导体表面理论和技术的基础上，实现了在半导体表面形成晶体管工艺，从而在1958年4月12日研制成功了第一块集成电路，这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体管、两个电容和八个电阻），是一种小规模集成电路.集成电路的发明，是以电子元件为主的电子技术的第三次重大突破.这一突破，使电子技术沿着集成电路所开创的电子元件微型化的新道路大踏步前进. 随着集成电路集成度的不断提高，到1964年研制成功了中规模集成电路；1968年又研制成功了大规模集成电路；1973年大规模集成电路开始进入工业化生产阶段，这个阶段已经出现了集成20多万个元器件的芯片.大规模集成电路与小规模集成电路相比较，元件的功能发生了质的变化.后者需要大量的元件，甚至是整个设备才能完成的功能，而前者由一个元件就代替了.有源元件、无源元件及线路三者之间的内部矛盾关系也发生了根本改变，矛盾的主要方面从开关逻辑元件转化为传输线路连结系统，逻辑元件主要矛盾也从逻辑的简单性转化为逻辑的规则性和品种的单一性，这就为成批生产大规模集成电路创造了条件.因此，大规模集成电路的出现，是以电子元件为主的电子技术的第四次重大突破.20世纪80年代则是超大规模集成电路时代，集成度实际上已经突破了百万大关，从80年代后期开始集成电路技术步入了1μｍ和亚微米时代（1μｍ=10-6ｍ，80年代初芯片的电连接宽度为4～6μｍ），真正实现了微型化.当时间进入21世纪，集成度则以每年100倍的平均速度增长，集成电路的集成度达到几十亿. 集成电路从20世纪50年代末出现至今，其发展速度之快，对社会生产、生活的影响之大是人们始料未及的.以集成电路为核心的微电子技术已经渗透到现代通信、信息技术、计算机、医疗、能源、交通、自动化、教育传播等各个方面，尤其是对现代电子和信息技术的发展起了巨大的作用. 此外，量子力学的建立，不仅使人类可以把握宏观物体的各种性能，而且可以深入认识物体的微观结构，从电子、原子、分子、晶格等不同层次来研究材料，发现许多微观结构和宏观性能之间的规律性关系，从更深的层次上揭示出材料性能和结构的本质联系.今天的材料科学技术，已经发展成为一个内容广泛、高度综合的技术系统.描述材料的宏观、微观迁移等现象，要涉及结晶学、凝聚态物理学、固体物理学、分子物理学、核物理学等.研究物质的合成，又需要涉及热力学、物理化学、量子化学等学科.在对材料物性的测定上，要求助于力学、光学、热学、电磁学和声学等方面的技术和设备. 从上述的事例，我们不难看到，在许多新技术发现的源头和过程中，物理科学研究成果起了极大的作用.其实，在空间技术、生物工程技术等其它新技术的发展过程中，物理科学研究成果也同样起到了很大的作用.可以说没有物理科学的创新成果，就不可能有这些新技术的发现或迅速的发展. 其实，在21世纪的今天，我们仍然可以看到，在物理科学研究的新成果带动下，许多领域的应用科学技术得到了进一步的发展，并出现了一个又一个崭新的产业部门，其影响遍及生产、科研、国防、医学、乃至进入家庭，大大改变了当代社会的结构和面貌，甚至人们的思维方式.历史和经验告诉我们，无论是过去，还是现在、乃至将来，社会和经济的发展总是离不开科学技术的进步，科学技术的进步离不开物理科学的创新成果，而物理科学的创新成果，靠的是具有高素质的物理科学人才. |
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趣题之家 → 文理综合 → Science → 20世纪物理学进展与百年重大新技术
2005-03-05 11:57
