2024年3月22日晚，由世界杯预选赛买球、北京现代物理研究中心、北京物理学会主办的“世界杯预选赛买球物理学科卓越人才培养计划讲堂：名师面对面”（第二十二期）在世界杯预选赛买球理科教学楼208教室举行。浙江大学物理学院讲席教授常凯院士应邀讲授“半导体物理与应用：无尽的前沿”。本期讲堂由世界杯预选赛买球院长、北京现代物理研究中心副主任高原宁院士主持。

材料是人类生产生活的物质基础，在人类文明和社会进步的过程中发挥了重要作用。从石器时代、青铜器时代到当今的信息时代，新材料的开发与应用不断将人类认识自然、改造自然的能力提升到新的水平，为经济社会发展注入强劲动力。20世纪中叶，半导体晶体管的发明推动人类迈向信息化，迎来第三次工业革命；21世纪以来，新一代电子信息材料正在加速推进人类社会由信息化向智能化演进。

半导体领域素来有“一代材料、一代技术、一代产业”的说法，20世纪先后发展出三代主流半导体材料：第一代是以锗、硅为代表的半导体，主要用于制备半导体晶体管和大规模集成电路；第二代是以砷化镓、磷化铟为代表的具有直接带隙的化合物半导体，广泛用于制备光电子、射频微波和高电子迁移率晶体管等器件；第三代是以氮化镓、碳化硅为代表的宽禁带化合物半导体，具备在高频、高压、高功率、高温下工作的优越性能，成为支撑新一代移动通信、新能源汽车、轨道交通、能源电力等产业转型升级的战略性电子材料。

常凯指出，如果没有半导体晶体管和集成电路一项项从“0”到“1”的原创性突破，就不可能有今天高度发展的芯片产业

真空电子管是最早的电信号放大器件。1883年，爱迪生（T. A. Edison）发现了热电子发射现象（即爱迪生效应）；1904年，弗莱明（J. A. Fleming）利用爱迪生效应发明了电子二极管；两年后，德·福雷斯特（L. de Forest）通过增加栅极发明了真空电子三极管。然而，真空电子管体积大、能耗高、寿命短，不利于大规模集成。1947年，贝尔实验室的物理学家肖克利（W. Shockley）、巴丁（J. Bardeen）和布拉顿（W. Brattain）发明了基于锗材料的点接触晶体管和PN结型晶体管（三人同获1956年诺贝尔物理学奖）。半导体晶体管较真空电子管具有体积小、能耗低、寿命长、易集成等优势。1958至1959年，基尔比（J. S. Kilby）（获2000年诺贝尔物理学奖）、诺伊斯（R. Noyce）先后发明了基于锗晶体管和硅晶体管的集成电路。半导体器件按照结构功能可以被划分为集成电路、分立器件、光电器件、传感器四类。据世界半导体贸易统计组织（WSTS）统计，2021年全球半导体产业产值约为5559亿美元。

常凯指出，半导体量子结构为研究演生规范场、量子场论和广义相对论效应提供了优异的实验平台

基于量子力学的半导体能带理论自20世纪上半叶建立以来，引领了半导体物理、材料和器件的发展，推动着微电子、光电子产业的进步。随着半导体生长、掺杂和微纳加工等技术革新，人们对半导体纳米结构的研究兴趣日益浓厚。当半导体材料缩小至纳米尺度时，量子效应开始显露，呈现诸多有趣的新现象、新变化。量子结构的能谱、晶格动力学、多体效应和载流子非平衡动力学过程等在半导体材料结构特性、光学与电学性质的研究中都发挥着重要作用。

在系统回溯半导体技术发展简史之后，常凯深入解读了冯·克利钦（K. von Klitzing）发现整数量子霍尔效应（获1985年诺贝尔物理学奖），崔琦（D. C. Tsui）、施特莫（H. L. Störmer）发现分数量子霍尔效应（与劳克林（R. B. Laughlin）同获1998年诺贝尔物理学奖），赤崎勇（Isamu Akasaki）、天野浩（Hiroshi Amano）、中村修二（Shuji Nakamura）发明蓝色发光二极管（三人同获2014年诺贝尔物理学奖）等与半导体紧密相关、具有里程碑意义的研究工作。他还以自己与合作者近年来在半导体量子结构物性调控，特别是半导体极性界面、窄能隙半导体自旋轨道耦合和新奇量子相探索等方面的原创性研究工作为例，为同学们揭示了半导体量子结构中丰富的物理内涵、新奇的量子物态及其调控的新机理。

师生联结“芯”纽带，畅所欲言“芯”未来

课后，常凯就仙童半导体公司的创业传奇、单元素半导体材料在元素周期表中的位置、后摩尔时代集成电路的颠覆性技术、衡量文明进步阶段的卡尔达肖夫指数等与同学们展开交流。在谈到中国半导体业的昨天、今天和明天时，常凯深情回顾了世界著名物理学家、我国固体物理学与半导体物理学奠基人之一黄昆先生举世公认的学术成就和众生拥戴的名师风范。黄先生对于学习知识的切身体会和独到见解“学习知识不是越多越好，越深越好，而是应当与自己驾驭知识的能力相匹配”，令同学们感触尤深。

世界杯预选赛买球党委办公室校长办公室主任、人工微结构和介观物理国家重点实验室副主任王新强教授现场出席。

常凯（一排右三）、高原宁（一排右二）、王新强（一排右四）勉励同学们瞄准前沿、强化基础、直面挑战、迎难而上