什么是半導體

　　當電流通過各種物體時，不同的物體對電流的通過有著不同的阻止能力，有的物體可使電流順利通過，也有的物體不讓其通過，或者在一定的阻力下讓它通過。這種不同的物體通過電流的能力，叫做這種物體的導電性能。各種物體均有著不同的導電性能，凡是導電性能很好的物體叫做導體。如銀、銅、鋁、鉛、錫、鐵、水銀、碳和電解液等都是良好導體。反之，導電能力很差的物體叫做絕緣體。還有，有的物體的導電能力比導體差，但比絕緣體強，這種導體叫做半導體。如常用的晶體管原材料硅、鍺等。收音機 CPU都是半導體。

　　半導體具有一些特殊性質。如利用半導體的電阻率與溫度的關系可制成自動控制用的熱敏元件（熱敏電阻）；利用它的光敏特性可制成自動控制用的光敏元件，像光電池、光電管和光敏電阻等。

　　半導體還有一個最重要的性質，如果在純凈的半導體物質中適當地摻入微量雜質測其導電能力將會成百萬倍地增加。利用這一特性可制造各種不同用途的半導體器件，如半導體二極管、三極管等。

　　把一塊半導體的一邊制成P型區，另一邊制成N型區，則在交界處附近形成一個具有特殊性能的薄層，一般稱此薄層為PN結。圖中上部分為P型半導體和N型半導體界面兩邊載流子的擴散作用（用黑色箭頭表示）。中間部分為PN結的形成過程，示意載流子的擴散作用大于漂移作用（用藍色箭頭表示，紅色箭頭表示內建電場的方向）。下邊部分為PN結的形成。表示擴散作用和漂移作用的動態平衡。

　　半導體有什么用

　　目前廣泛應用的半導體材料有鍺、硅、硒、砷化鎵、磷化鎵、銻化銦等．其中以鍺、硅材料的生產技術較成熟，用的也較多。

　　用半導體材料制成的部件、集成電路等是電子工業的重要基礎產品，在電子技術的各個方面已大量使用。半導體材料、器件、集成電路的生產和科研已成為電子工業的重要組成部分。在新產品研制及新技術發展方面，比較重要的領域有：

　?。?）集成電路

　　它是半導體技術發展中最活躍的一個領域，已發展到大規模集成的階段。在幾平方毫米的硅片上能制作幾萬只晶體管，可在一片硅片上制成一臺微信息處理器，或完成其它較復雜的電路功能。集成電路的發展方向是實現更高的集成度和微功耗，并使信息處理速度達到微微秒級。

　?。?）微波器件

　　半導體微波器件包括接收、控制和發射器件等。毫米波段以下的接收器件已廣泛使用。在厘米波段，發射器件的功率已達到數瓦，人們正在通過研制新器件、發展新技術來獲得更大的輸出功率。

　?。?）光電子器件

　　半導體發光、攝象器件和激光器件的發展使光電子器件成為一個重要的領域。它們的應用范圍主要是：光通信、數碼顯示、圖象接收、光集成等。

　　半導體是由什么物質構成的

　　自然界的物質按導電能力可分為導體、絕緣體和半導體三類。半導體材料是指室溫下導電性介于導電材料和絕緣材料之間的一類功能材料。靠電子和空穴兩種載流子實現導電，室溫時電阻率一般在10-5～107歐·米之間。通常電阻率隨溫度升高而增大；若摻入活性雜質或用光、射線輻照，可使其電阻率有幾個數量級的變化。1906年制成了碳化硅檢波器。

　　1947年發明晶體管以后，半導體材料作為一個獨立的材料領域得到了很大的發展，并成為電子工業和高技術領域中不可缺少的材料。特性和參數半導體材料的導電性對某些微量雜質極敏感。純度很高的半導體材料稱為本征半導體，常溫下其電阻率很高，是電的不良導體。在高純半導體材料中摻入適當雜質后，由于雜質原子提供導電載流子，使材料的電阻率大為降低。這種摻雜半導體常稱為雜質半導體。雜質半導體靠導帶電子導電的稱N型半導體，靠價帶空穴導電的稱P型半導體。

　　不同類型半導體間接觸（構成PN結）或半導體與金屬接觸時，因電子（或空穴）濃度差而產生擴散，在接觸處形成位壘，因而這類接觸具有單向導電性。利用PN結的單向導電性，可以制成具有不同功能的半導體器件，如二極管、三極管、晶閘管等。

　　此外，半導體材料的導電性對外界條件（如熱、光、電、磁等因素）的變化非常敏感，據此可以制造各種敏感元件，用于信息轉換。半導體材料的特性參數有禁帶寬度、電阻率、載流子遷移率、非平衡載流子壽命和位錯密度。禁帶寬度由半導體的電子態、原子組態決定，反映組成這種材料的原子中價電子從束縛狀態激發到自由狀態所需的能量。電阻率、載流子遷移率反映材料的導電能力。

　　非平衡載流子壽命反映半導體材料在外界作用（如光或電場）下內部載流子由非平衡狀態向平衡狀態過渡的弛豫特性。位錯是晶體中最常見的一類缺陷。位錯密度用來衡量半導體單晶材料晶格完整性的程度，對于非晶態半導體材料，則沒有這一參數。半導體材料的特性參數不僅能反映半導體材料與其他非半導體材料之間的差別，更重要的是能反映各種半導體材料之間甚至同一種材料在不同情況下，其特性的量值差別。

　　半導體材料的種類

　　常用的半導體材料分為元素半導體和化合物半導體。元素半導體是由單一元素制成的半導體材料。主要有硅、鍺、硒等，以硅、鍺應用最廣?；衔锇雽w分為二元系、三元系、多元系和有機化合物半導體。二元系化合物半導體有Ⅲ-Ⅴ族（如砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等）、Ⅱ-Ⅵ族（如硫化鎘、硒化鎘、碲化鋅、硫化鋅等）、Ⅳ-Ⅵ族（如硫化鉛、硒化鉛等）、Ⅳ-Ⅳ族（如碳化硅）化合物。三元系和多元系化合物半導體主要為三元和多元固溶體，如鎵鋁砷固溶體、鎵鍺砷磷固溶體等。有機化合物半導體有萘、蒽、聚丙烯腈等，還處于研究階段。

　　此外，還有非晶態和液態半導體材料，這類半導體與晶態半導體的最大區別是不具有嚴格周期性排列的晶體結構。制備不同的半導體器件對半導體材料有不同的形態要求，包括單晶的切片、磨片、拋光片、薄膜等。半導體材料的不同形態要求對應不同的加工工藝。常用的半導體材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長。

　　所有的半導體材料都需要對原料進行提純，要求的純度在6個“9”以上，最高達11個“9”以上。提純的方法分兩大類，一類是不改變材料的化學組成進行提純，稱為物理提純；另一類是把元素先變成化合物進行提純，再將提純后的化合物還原成元素，稱為化學提純。物理提純的方法有真空蒸發、區域精制、拉晶提純等，使用最多的是區域精制。化學提純的主要方法有電解、絡合、萃娶精餾等，使用最多的是精餾。

　　由于每一種方法都有一定的局限性，因此常使用幾種提純方法相結合的工藝流程以獲得合格的材料。絕大多數半導體器件是在單晶片或以單晶片為襯底的外延片上作出的。成批量的半導體單晶都是用熔體生長法制成的。直拉法應用最廣，80％的硅單晶、大部分鍺單晶和銻化銦單晶是用此法生產的，其中硅單晶的最大直徑已達300毫米。在熔體中通入磁場的直拉法稱為磁控拉晶法，用此法已生產出高均勻性硅單晶。在坩堝熔體表面加入液體覆蓋劑稱液封直拉法，用此法拉制砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等分解壓較大的單晶。懸浮區熔法的熔體不與容器接觸，用此法生長高純硅單晶。

　　水平區熔法用以生產鍺單晶。水平定向結晶法主要用于制備砷化鎵單晶，而垂直定向結晶法用于制備碲化鎘、砷化鎵。用各種方法生產的體單晶再經過晶體定向、滾磨、作參考面、切片、磨片、倒角、拋光、腐蝕、清洗、檢測、封裝等全部或部分工序以提供相應的晶片。在單晶襯底上生長單晶薄膜稱為外延。外延的方法有氣相、液相、固相、分子束外延等。

　　工業生產使用的主要是化學氣相外延，其次是液相外延。金屬有機化合物氣相外延和分子束外延則用于制備量子阱及超晶格等微結構。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金屬等襯底上用不同類型的化學氣相沉積、磁控濺射等方法制成。

　　半導體和絕緣體之間的差異主要來自兩者的能帶（band）寬度不同。絕緣體的能帶比半導體寬，意即絕緣體價帶中的載子必須獲得比在半導體中更高的能量才能跳過能帶，進入傳導帶中。室溫下的半導體導電性有如絕緣體，只有極少數的載子具有足夠的能量進入傳導帶。因此，對于一個在相同電場下的純質半導體（intrinsicsemiconductor）和絕緣體會有類似的電特性，不過半導體的能帶寬度小于絕緣體也意味著半導體的導電性更容易受到控制而改變。

　　純質半導體的電氣特性可以藉由植入雜質的過程而永久改變，這個過程通常稱為“摻雜”（doping）。依照摻雜所使用的雜質不同，摻雜后的半導體原子周圍可能會多出一個電子或一個電洞，而讓半導體材料的導電特性變得與原本不同。如果摻雜進入半導體的雜質濃度夠高，半導體也可能會表現出如同金屬導體般的電性。在摻雜了不同極性雜質的半導體接面處會有一個內建電場（built-inelectricfield），內建電場和許多半導體元件的操作原理息息相關。

　　除了藉由摻雜的過程永久改變電性外，半導體亦可因為施加于其上的電場改變而動態地變化。半導體材料也因為這樣的特性，很適合用來作為電路元件，例如晶體管。晶體管屬于主動式的（有源）半導體元件（activesemiconductordevices），當主動元件和被動式的（無源）半導體元件（passivesemiconductordevices）如電阻器（resistor）或是電容器（capacitor）組合起來時，可以用來設計各式各樣的集成電路產品，例如微處理器。

　　當電子從傳導帶掉回價帶時，減少的能量可能會以光的形式釋放出來。這種過程是制造發光二極管（light-emittingdiode，LED）以及半導體激光（semiconductorlaser）的基礎，在商業應用上都有舉足輕重的地位。而相反地，半導體也可以吸收光子，透過光電效應而激發出在價帶的電子，產生電訊號。這即是光探測器（photodetector）的來源，在光纖通訊（fiber-opticcommunications）或是太陽能電池（solarcell）的領域是最重要的元件。

　　半導體有可能是單一元素組成，例如硅。也可以是兩種或是多種元素的化合物（compound），常見的化合物半導體有砷化鎵（galliumarsenide，GaAs）或是磷化鋁銦鎵（aluminiumgalliumindiumphosphide，AlGaInP）等。合金（alloy）也是半導體材料的來源之一，如鍺硅（silicongermanium，SiGe）或是砷化鎵鋁（aluminiumgalliumarsenide，AlGaAs）等。

　　半導體的應用

　　一、在無線電收音機（Radio）及電視機（Television）中，作為“訊號放大器/整流器”用。

　　二、發展「太陽能（Solar Power）」，也用在「光電池（Solar Cell）」中。

　　三、半導體可以用來測量溫度，測溫范圍可以達到生產、生活、醫療衛生、科研教學等應用的70%的領域，有較高的準確度和穩定性，分辨率可達0.1℃，甚至達到0.01℃也不是不可能，線性度0.2%，測溫范圍-100~+300℃，是性價比極高的一種測溫元件。

　　四、半導體致冷器的發展， 它也叫熱電致冷器或溫差致冷器， 它采用了帕爾貼效應。