2024年3月22日晚，由beat365官方网站、北京現代物理研究中心、北京物理學會主辦的“beat365物理學科卓越人才培養計劃講堂：名師面對面”（第二十二期）在beat365理科教學樓208教室舉行。浙江大學beat365講席教授常凱院士應邀講授“半導體物理與應用：無盡的前沿”。本期講堂由beat365官方网站院長、北京現代物理研究中心副主任高原甯院士主持。

材料是人類生産生活的物質基礎，在人類文明和社會進步的過程中發揮了重要作用。從石器時代、青銅器時代到當今的信息時代，新材料的開發與應用不斷将人類認識自然、改造自然的能力提升到新的水平，為經濟社會發展注入強勁動力。20世紀中葉，半導體晶體管的發明推動人類邁向信息化，迎來第三次工業革命；21世紀以來，新一代電子信息材料正在加速推進人類社會由信息化向智能化演進。

半導體領域素來有“一代材料、一代技術、一代産業”的說法，20世紀先後發展出三代主流半導體材料：第一代是以鍺、矽為代表的半導體，主要用于制備半導體晶體管和大規模集成電路；第二代是以砷化镓、磷化铟為代表的具有直接帶隙的化合物半導體，廣泛用于制備光電子、射頻微波和高電子遷移率晶體管等器件；第三代是以氮化镓、碳化矽為代表的寬禁帶化合物半導體，具備在高頻、高壓、高功率、高溫下工作的優越性能，成為支撐新一代移動通信、新能源汽車、軌道交通、能源電力等産業轉型升級的戰略性電子材料。

常凱指出，如果沒有半導體晶體管和集成電路一項項從“0”到“1”的原創性突破，就不可能有今天高度發展的芯片産業

真空電子管是最早的電信号放大器件。1883年，愛迪生（T. A. Edison）發現了熱電子發射現象（即愛迪生效應）；1904年，弗萊明（J. A. Fleming）利用愛迪生效應發明了電子二極管；兩年後，德·福雷斯特（L. de Forest）通過增加栅極發明了真空電子三極管。然而，真空電子管體積大、能耗高、壽命短，不利于大規模集成。1947年，貝爾實驗室的物理學家肖克利（W. Shockley）、巴丁（J. Bardeen）和布拉頓（W. Brattain）發明了基于鍺材料的點接觸晶體管和PN結型晶體管（三人同獲1956年諾貝爾物理學獎）。半導體晶體管較真空電子管具有體積小、能耗低、壽命長、易集成等優勢。1958至1959年，基爾比（J. S. Kilby）（獲2000年諾貝爾物理學獎）、諾伊斯（R. Noyce）先後發明了基于鍺晶體管和矽晶體管的集成電路。半導體器件按照結構功能可以被劃分為集成電路、分立器件、光電器件、傳感器四類。據世界半導體貿易統計組織（WSTS）統計，2021年全球半導體産業産值約為5559億美元。

常凱指出，半導體量子結構為研究演生規範場、量子場論和廣義相對論效應提供了優異的實驗平台

基于量子力學的半導體能帶理論自20世紀上半葉建立以來，引領了半導體物理、材料和器件的發展，推動着微電子、光電子産業的進步。随着半導體生長、摻雜和微納加工等技術革新，人們對半導體納米結構的研究興趣日益濃厚。當半導體材料縮小至納米尺度時，量子效應開始顯露，呈現諸多有趣的新現象、新變化。量子結構的能譜、晶格動力學、多體效應和載流子非平衡動力學過程等在半導體材料結構特性、光學與電學性質的研究中都發揮着重要作用。

在系統回溯半導體技術發展簡史之後，常凱深入解讀了馮·克利欽（K. von Klitzing）發現整數量子霍爾效應（獲1985年諾貝爾物理學獎），崔琦（D. C. Tsui）、施特莫（H. L. Störmer）發現分數量子霍爾效應（與勞克林（R. B. Laughlin）同獲1998年諾貝爾物理學獎），赤崎勇（Isamu Akasaki）、天野浩（Hiroshi Amano）、中村修二（Shuji Nakamura）發明藍色發光二極管（三人同獲2014年諾貝爾物理學獎）等與半導體緊密相關、具有裡程碑意義的研究工作。他還以自己與合作者近年來在半導體量子結構物性調控，特别是半導體極性界面、窄能隙半導體自旋軌道耦合和新奇量子相探索等方面的原創性研究工作為例，為同學們揭示了半導體量子結構中豐富的物理内涵、新奇的量子物态及其調控的新機理。

師生聯結“芯”紐帶，暢所欲言“芯”未來

課後，常凱就仙童半導體公司的創業傳奇、單元素半導體材料在元素周期表中的位置、後摩爾時代集成電路的颠覆性技術、衡量文明進步階段的卡爾達肖夫指數等與同學們展開交流。在談到中國半導體業的昨天、今天和明天時，常凱深情回顧了世界著名物理學家、我國固體物理學與半導體物理學奠基人之一黃昆先生舉世公認的學術成就和衆生擁戴的名師風範。黃先生對于學習知識的切身體會和獨到見解“學習知識不是越多越好，越深越好，而是應當與自己駕馭知識的能力相匹配”，令同學們感觸尤深。

beat365黨委辦公室校長辦公室主任、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室副主任王新強教授現場出席。

常凱（一排右三）、高原甯（一排右二）、王新強（一排右四）勉勵同學們瞄準前沿、強化基礎、直面挑戰、迎難而上