現(xiàn)代世界里，沒有人可以說自己跟“半導體”沒有關系。半導體聽起來既生硬又冷冰冰，但它不僅是科學園區(qū)里那幫工程師的事，你每天滑的手機、用的電腦、看的電視、聽的音響，里面都有半導體元件，可以說若沒有半導體，就沒有現(xiàn)代世界里的輕巧又好用的高科技產(chǎn)物。
半導體的重要性不可言喻，甚至被譽為世界上第 4 大重要發(fā)明。美國《大西洋月刊》曾找來科學家、歷史學家、技術專家為人類史上的重大發(fā)明排名，半導體名列第 4，排在前面的分別是印刷機、電力、盤尼西林。
而提到半導體，就不得不提到半導體的基礎——材料。
在二十世紀的近代科學，特別是量子力學發(fā)展知道金屬材料擁有良好的導電與導熱特性，而陶瓷材料則否，性質(zhì)出來之前，人們對于四周物體的認識仍然屬于較為巨觀的瞭解，那時已經(jīng)介于這兩者之間的，就是半導體材料。
半導體的起源
英國科學家法拉第(MIChael Faraday，1791~1867)，在電磁學方面擁有許多貢獻，但較不為人所知的，則是他在1833年發(fā)現(xiàn)的其中一種半導體材料：硫化銀，因為它的電阻隨著溫度上升而降低，當時只覺得這件事有些奇特，并沒有激起太大的火花。
然而，今天我們已經(jīng)知道，隨著溫度的提升，晶格震動越厲害，使得電阻增加，但對半導體而言，溫度上升使自由載子的濃度增加，反而有助于導電。
這是半導體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。
不久， 1839年法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會產(chǎn)生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應，這是被發(fā)現(xiàn)的半導體的第二個特征。
在1874年，德國的布勞恩(Ferdinand Braun，1850~1918)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，在它兩端加一個正向電壓，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(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應。
1873年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應，這是半導體又一個特有的性質(zhì)。
半導體的這四個效應，雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)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(jié)出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。
直到1906年，美國電機發(fā)明家匹卡(G. W. PICkard，1877~1956)，才發(fā)明了第一個固態(tài)電子元件：無線電波偵測器(cat’s whisker)，它使用金屬與硅或硫化鉛相接觸所產(chǎn)生的整流功能，來偵測無線電波。
在整流理論方面，德國的蕭特基(Walter Schottky，1886~1976)在1939年，于「德國物理學報」發(fā)表了一篇有關整流理論的重要論文，做了許多推論，他認為金屬與半導體間有能障(potential barrier)的存在，其主要貢獻就在于精確計算出這個能障的形狀與寬度。
至于現(xiàn)在為大家所接受的整流理論，則是1942年，由索末菲(Arnold Sommerfeld， 1868~1951)的學生貝特所發(fā)展出來，他提出的就是熱電子發(fā)射理論(thermionic emission)，這些具有較高能量的電子，可越過能障到達另一邊，其理論也與實驗結(jié)果較為符合。
在半導體領域中，與整流理論同等重要的，就是能帶理論。布洛赫(Felix BLOCh，1905~1983)在這方面做出了重要的貢獻，其定理是將電子波函數(shù)加上了週期性的項，首開能帶理論的先河。另一方面，德國人佩爾斯于1929年，則指出一個幾乎完全填滿的能帶，其電特性可以用一些帶正電的電荷來解釋，這就是電洞概念的濫觴；他后來提出的微擾理論，解釋了能隙(Energy gap)存在。
半導體材料早期發(fā)展
20世紀初期，盡管人們對半導體認識比較少，但是對半導體材料的應用研究還是比較活躍的。
20世紀20年代，固體物理和量子力學的發(fā)展以及能帶論的不斷完善，使半導體材料中的電子態(tài)和電子輸運過程的研究更加深入，對半導體材料中的結(jié)構(gòu)性能、雜質(zhì)和缺陷行為有了更深刻的認識，提高半導體晶體材料的完整性和純度的研究。
20世紀50年代，為了改善晶體管特性，提高其穩(wěn)定性，半導體材料的制備技術得到了迅速發(fā)展。盡管硅在微電子技術應用方面取得了巨大成功，但是硅材料由于受間接帶隙的制約，在硅基發(fā)光器件的研究方面進展緩慢。
隨著半導體超晶體格概念的提出，以及分子束外延。金屬有機氣相外延和化學束外延等先進外延生長技術的進步，成功的生長出一系列的晶態(tài)、非晶態(tài)薄層、超薄層微結(jié)構(gòu)材料，這不僅推動了半導體物理和半導體器件設計與制造從過去的所謂“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”為基于量子效應的新一代器件制造與應用打下了基礎。
元素半導體
第一代半導體是“元素半導體”，典型如硅基和鍺基半導體。其中以硅基半導體技術較成熟，應用也較廣，一般用硅基半導體來代替元素半導體的名稱。甚至于，目前，全球95%以上的半導體芯片和器件是用硅片作為基礎功能材料而生產(chǎn)出來的。
以硅材料為代表的第一代半導體材料，它取代了笨重的電子管，導致了以集成電路為核心的微電子工業(yè)的發(fā)展和整個IT 產(chǎn)業(yè)的飛躍，廣泛應用于信息處理和自動控制等領域。
但是在20世紀50年代，卻鍺在半導體中占主導地位，主要應用于低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中，但是鍺基半導體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代后期逐漸被硅基器件取代。用硅材料制造的半導體器件，耐高溫和抗輻射性能較好。
1960年出現(xiàn)了0.75寸（約20mm）的單晶硅片。
1965年以分立器件為主的晶體管，開始使用少量的1.25英寸小硅片。之后經(jīng)過2寸、3寸的發(fā)展，1975年4寸單晶硅片開始在全球市場上普及，接下來是5寸、6寸、8寸，2001年開始投入使用12寸硅片，預計在2020年，18寸（450mm）的硅片開始投入使用。
據(jù)了解，硅片占整個半導體材料市場的32%左右，行業(yè)市場空間約76億美元。國內(nèi)半導體硅片市場規(guī)模為130億人民幣左右，占國內(nèi)半導體制造材料總規(guī)模比重達42.5%。
而這一領域主要由日本廠商壟斷，我國6英寸硅片國產(chǎn)化率為50%，8英寸硅片國產(chǎn)化率為10%，12英寸硅片完全依賴于進口。
目前市場上在使用的硅片有 200mm（8 英寸）、300mm（12 英寸）硅片。由于晶圓面積越大，在同一晶圓上可生產(chǎn)的集成電路IC越多，成本越低，硅片的發(fā)展趨勢也是大尺寸化。12英寸硅片主要用于生產(chǎn)90nm-28nm及以下特征尺寸（16nm和14nm）的存儲器、數(shù)字電路芯片及混合信號電路芯片，是當前晶圓廠擴產(chǎn)的主流。
由于面臨資金和技術的雙重壓力，晶圓廠向450mm（18英寸）產(chǎn)線轉(zhuǎn)移的速度放緩，根據(jù)國際預測，到2020年左右，450mm的硅片開發(fā)技術才有可能實現(xiàn)初步量產(chǎn)。