半導(dǎo)體（semiconductor）是室溫下導(dǎo)電能力處于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物質(zhì)。其導(dǎo)電能力與其內(nèi)部的載流子數(shù)量相關(guān)，主要有電子和空穴兩類(lèi)。純凈的半導(dǎo)體，由于其能帶結(jié)構(gòu)與絕緣體相近，能夠激發(fā)的載流子數(shù)量很有限，因此幾乎不導(dǎo)電。通常在半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)，可以引入額外的電子或空穴，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體電導(dǎo)率的有效調(diào)控。
半導(dǎo)體最早的發(fā)現(xiàn)可以追溯到19世紀(jì)邁克爾·法拉第對(duì)于硫化銀的研究。此后，人們相繼發(fā)現(xiàn)種類(lèi)更加豐富的半導(dǎo)體。常見(jiàn)如、鍺、硅等元素類(lèi)半導(dǎo)體以及氧化銅、硫化銅、砷化鎵等化合物類(lèi)半導(dǎo)體。
另外還可以依據(jù)摻入雜質(zhì)的類(lèi)型分為n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體。此外還可以依據(jù)晶態(tài)組成分為非晶半導(dǎo)體、固溶半導(dǎo)體等。
由于半導(dǎo)體對(duì)外部環(huán)境（例如熱、光、電、磁等）的改變是很靈敏的，因此具有非常豐富的特性，如光生伏特、光電導(dǎo)等光電特性，和塞貝克效應(yīng)、珀?duì)栙N效應(yīng)等熱電特性，以及磁阻效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等等。基于半導(dǎo)體可以制造集成電路所需的各種器件，可以說(shuō)半導(dǎo)體是現(xiàn)代集成電路的基礎(chǔ)。另外，半導(dǎo)體還可以用于光伏發(fā)電、激光、制冷、傳感測(cè)量、機(jī)械加工等諸多領(lǐng)域。
發(fā)展歷史
1833-1837年期間，英國(guó)法拉第(Faraday)首次在高溫下觀察到，硫化銀的電阻會(huì)隨著溫度的升高而下降，即負(fù)的電阻溫度系數(shù)。這是人們第一次認(rèn)識(shí)到具有特殊效應(yīng)的半導(dǎo)體。
1873年，英國(guó)人史密斯利用硒晶體材料做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它在光照下電導(dǎo)會(huì)增大，即半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)。之后的1874年，德國(guó)人布勞恩(Braun)發(fā)現(xiàn)，一些硫化物的電導(dǎo)率與所施加的電場(chǎng)方向相關(guān)，即半導(dǎo)體的整流特性。不久，亞當(dāng)斯(Adams)和戴(Day)證實(shí)了硒的光生伏打效應(yīng)。1879年，霍爾(Hall)發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體也存在流動(dòng)電荷載流子通過(guò)外加磁場(chǎng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象——霍爾效應(yīng)，并且半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬?gòu)?qiáng)得多。
但那是一直都還沒(méi)有半導(dǎo)體這一概念，直到1911年，考尼白格和維斯在第一次提出“半導(dǎo)體”這一名詞。隨著1925~1926 年量子力學(xué)體系的基本建立，1931年英國(guó)人威爾遜(Wilson)提出半導(dǎo)體的能帶模型，可以很好地解釋半導(dǎo)體諸多性質(zhì)，極大地推動(dòng)了半導(dǎo)體的發(fā)展。
1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室對(duì)半導(dǎo)體的特性進(jìn)行了歸納。不久之后地1949年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的威廉·肖克利(Shocklay)等人發(fā)表《半導(dǎo)體PN結(jié)和PN結(jié)晶體管的理論》，半導(dǎo)體晶體管的誕生開(kāi)啟了高科技領(lǐng)域未來(lái)的革命，極大地激發(fā)了人們對(duì)半導(dǎo)體技術(shù)研究的熱情。20世紀(jì)60年代，硅平面工藝的出現(xiàn)，使半導(dǎo)體技術(shù)從分立器件進(jìn)入了集成電路的時(shí)代，從此半導(dǎo)體微電子技術(shù)得到了驚人的發(fā)展，由半導(dǎo)體技術(shù)形成的產(chǎn)業(yè)也成為世界經(jīng)濟(jì)的重要支柱。
物理學(xué)基礎(chǔ)
載流子
半導(dǎo)體主要依賴(lài)于內(nèi)部的載流子進(jìn)行導(dǎo)電，其載流子主要有電子和空穴兩類(lèi)，它們通過(guò)熱激發(fā)或者光激發(fā)產(chǎn)生。在半導(dǎo)體中摻入一定雜質(zhì)將改變載流子的激發(fā)特性，所以載流子的數(shù)量依賴(lài)于溫度、外界光照以及摻入的雜質(zhì)等。
本征半導(dǎo)體
純凈的半導(dǎo)體，也被稱(chēng)為本征半導(dǎo)體，由于含有的載流子數(shù)量較少，通常為了提高其電導(dǎo)率，會(huì)摻入其他元素。根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同，可以分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體是指摻入的元素使得其內(nèi)部電子數(shù)量遠(yuǎn)多于空穴數(shù)量，P型半導(dǎo)體是指指摻入的元素使得其內(nèi)部空穴數(shù)量遠(yuǎn)多于電子數(shù)量。
PN結(jié)
通過(guò)擴(kuò)散和光刻等工藝，使N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合在一起，形成具有單向?qū)щ娞匦缘慕Y(jié)構(gòu)稱(chēng)為PN結(jié)。PN結(jié)又可以分為同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)。
能帶結(jié)構(gòu)
半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)和其能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。能帶是指材料中電子由于共有化運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致原來(lái)簡(jiǎn)并的電子能級(jí)分裂，形成許多能量間隔非常小的能級(jí)，可以認(rèn)為是連續(xù)的帶。典型的半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)如下圖所示，它包括由價(jià)電子所占據(jù)的價(jià)帶、未被電子占據(jù)或者被電子部分占據(jù)的導(dǎo)帶、不允許電子存在的禁帶。絕對(duì)零度下，價(jià)帶中所有能級(jí)被電子占據(jù)，又稱(chēng)滿(mǎn)帶；導(dǎo)電中所有能級(jí)未被電子占據(jù)，又稱(chēng)空帶。
禁帶寬度常用表示，它是決定半導(dǎo)體性質(zhì)的一個(gè)很重要的參量。因?yàn)闈M(mǎn)帶和空帶都不能導(dǎo)電，只能半滿(mǎn)的能帶結(jié)構(gòu)才可以導(dǎo)電。對(duì)一般的半導(dǎo)體材料，由于其禁帶寬度不太大，通過(guò)熱激發(fā)、光照或電場(chǎng)的作用，價(jià)帶電子可以越過(guò)禁帶被激發(fā)到導(dǎo)電。而絕緣體之所以不到電，從能帶的角度，就是因?yàn)槠浣麕挾忍蟆?/p>
特性
摻雜
半導(dǎo)體的摻雜特性是指向半導(dǎo)體中引入少量雜質(zhì)原子，從而改變其電性質(zhì)。
摻雜可以分為兩種類(lèi)型：n型摻雜和p型摻雜。在n型摻雜中，雜質(zhì)原子通常是五價(jià)元素，如磷、等，它們被稱(chēng)為施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)的摻入，會(huì)向半導(dǎo)體中釋放一個(gè)額外的電子；p型摻雜中，雜質(zhì)原子通常是三價(jià)元素，如鋁、硼等，它們被稱(chēng)為受主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)的摻入，會(huì)形成一個(gè)空穴，從而增加了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。
摻雜的特性還包括摻雜濃度和雜質(zhì)原子的分布。摻雜濃度是指雜質(zhì)原子在半導(dǎo)體中的數(shù)量，它決定了半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。雜質(zhì)原子的分布則決定了半導(dǎo)體的電子和空穴濃度分布，也會(huì)影響半導(dǎo)體的電性能。
電導(dǎo)率
半導(dǎo)體在絕對(duì)零度下不導(dǎo)電，室溫下半導(dǎo)體的電阻率在，介于導(dǎo)體和絕緣體之間，其導(dǎo)電性能強(qiáng)烈依賴(lài)雜質(zhì)、溫度等因素。由于其導(dǎo)電粒子是空穴和電子，通常可以如下公式計(jì)算半導(dǎo)體的電導(dǎo)率：。其中分別為電子與空穴的濃度，分別為電子和空穴的遷移率。
發(fā)光特性
半導(dǎo)體的發(fā)光特性由電子-空穴對(duì)的復(fù)合過(guò)程決定，復(fù)合包括輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合。只有輻射復(fù)合才能使半導(dǎo)體發(fā)光，非輻射復(fù)合并不會(huì)發(fā)光，而是將載流子復(fù)合的能量傳遞給晶格，使晶體發(fā)熱。主要的輻射復(fù)合過(guò)程包括：①—帶間躍遷，是直接帶隙半導(dǎo)體發(fā)光的主要機(jī)理；②—電子-空穴對(duì)通過(guò)發(fā)光中心的復(fù)合，為間接帶隙半導(dǎo)體發(fā)光的主要機(jī)理。
熱電特性
半導(dǎo)體存在可以將熱能和電能相互轉(zhuǎn)化的特性，又稱(chēng)為熱電特性或者熱電效應(yīng)。包括塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)、珀耳帖效應(yīng)(Peltier effect)、湯姆遜效應(yīng)(Thomson effect)。
塞貝克效應(yīng)是指當(dāng)兩個(gè)不同溫度的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接在一起時(shí)，會(huì)發(fā)生電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差被稱(chēng)為塞貝克電勢(shì)。半導(dǎo)體的塞貝克效應(yīng)可以用于溫差發(fā)電。
珀耳帖效應(yīng)兩不同導(dǎo)體連接后通以電流，在接頭處會(huì)產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象。吸收或放出的熱量稱(chēng)為珀耳帖熱量。基于珀耳帖效應(yīng)可以制造半導(dǎo)體電子致冷器件。
湯姆遜效應(yīng)是指當(dāng)電流通過(guò)有溫度梯度的半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體中除產(chǎn)生和電阻有關(guān)的焦耳熱之外，還要吸收或放出額外一部分熱量。
其他特性
導(dǎo)熱特性：半導(dǎo)體的熱傳導(dǎo)由電子的運(yùn)動(dòng)和晶格振動(dòng)(聲子)一起貢獻(xiàn)，因此具有熱導(dǎo)率不高(相比金屬)、強(qiáng)烈的溫度依賴(lài)性、對(duì)摻入的雜質(zhì)非常敏感等特點(diǎn)。
霍爾效應(yīng)：半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)是把通電的半導(dǎo)體放入與電流方向垂直的磁場(chǎng)中時(shí)，在半導(dǎo)體中會(huì)出現(xiàn)橫向電場(chǎng)的現(xiàn)象。利用半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)可以測(cè)量載流子的遷移率和濃度。
磁阻特性：由于磁場(chǎng)的存在，半導(dǎo)體的電阻增大，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為磁阻效應(yīng)。通常，遷移率高的材料磁阻效應(yīng)明顯。利用這一特性可以制作半導(dǎo)體磁敏電阻。
壓阻效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體承受一定壓力時(shí)，會(huì)造成半導(dǎo)體的電阻率發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。利用這一效應(yīng)可以制備半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)、壓敏二極管、壓敏晶體管等電子元器件。
分類(lèi)
依據(jù)材料
依據(jù)導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的不同
理想半導(dǎo)體也成為本征半導(dǎo)體，在常溫下提供的導(dǎo)電載流子很有限，通常用作雜質(zhì)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)材料。
雜質(zhì)半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體的基礎(chǔ)上，通過(guò)摻入雜質(zhì)來(lái)提高載流子的濃度，其中又分為電子型半導(dǎo)體和空穴型半導(dǎo)體，利用雜質(zhì)半導(dǎo)體可以制備pn結(jié)和晶體管，它們是各種電子元件、光電器件、太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)。
其他分類(lèi)
非晶半導(dǎo)體
又稱(chēng)無(wú)定形半導(dǎo)體或玻璃半導(dǎo)體。它們是非晶態(tài)固體中具有半導(dǎo)電性的一類(lèi)材料。具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，組成原子的排列是短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序，鍵合力未發(fā)生變化，只是鍵長(zhǎng)和鍵角略有不同。包括四面體的 Si、ZnSn等；交鏈網(wǎng)絡(luò)的 Ge-Sb-Se、GeAs-Se等以及離子鍵氧化物玻璃等。常用于用于制造太陽(yáng)能電池、薄膜晶體管、復(fù)印鼓光電傳感器等。
固溶半導(dǎo)體
由兩個(gè)或兩個(gè)以上的元素所構(gòu)成的具有半導(dǎo)體性質(zhì)的固溶體，又稱(chēng)為混晶半導(dǎo)體。最大特點(diǎn)是禁帶寬度、能隙性質(zhì)、晶格常數(shù)及電學(xué)、光學(xué)特性隨成分而改變，有可調(diào)節(jié)性。常見(jiàn)有、。主要應(yīng)用于激光器、探測(cè)器、光電子集成電路、光電陰極，高遷移率晶體管及超晶格、量子阱、超薄層微結(jié)構(gòu)材料等。
新型半導(dǎo)體
它們是一類(lèi)基于納米線、量子點(diǎn)、二維材料和拓?fù)浣^緣體材料設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體，它們可以作為光學(xué)增益、光伏、電光或磁光介質(zhì)，為光子異質(zhì)集成創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)。
應(yīng)用領(lǐng)域
集成電路
半導(dǎo)體可以說(shuō)是現(xiàn)代集成電路的基礎(chǔ)，基于半導(dǎo)體可以制造集成電路所需的各種器件、如二極管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管，用于電路的開(kāi)關(guān)、電流電壓增益、信號(hào)功率增益等。
光伏發(fā)電
光伏發(fā)電的核心在于利用半導(dǎo)體制造的太陽(yáng)能電池，而太陽(yáng)能電池本質(zhì)而言是一塊面積比較大的pn結(jié)，利用pn結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)將太陽(yáng)光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)分離，實(shí)現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換。
激光
半導(dǎo)體激光器（LD）是利用半導(dǎo)體作為激勵(lì)媒質(zhì)的一種激光器。不僅效率高，體積小，質(zhì)量輕；而且還具有高的穩(wěn)定性和可以直接進(jìn)行調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地與其它的半導(dǎo)體設(shè)備進(jìn)行整合。目前在網(wǎng)絡(luò)通信，光盤(pán)存儲(chǔ)，精密測(cè)量和物料處理中得到了日益普遍的使用；對(duì)許多行業(yè)（如醫(yī)藥、軍工等）的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
制冷
半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)是利用半導(dǎo)體的珀?duì)栙N效應(yīng)，在其兩端形成溫差而實(shí)現(xiàn)制冷的。珀?duì)栙N效應(yīng)的產(chǎn)生是由于在兩種不同的導(dǎo)體中載流子能量的不同。當(dāng)把一個(gè)具有更高的平均能量的電荷轉(zhuǎn)移到一個(gè)平均能量較低的導(dǎo)體上，會(huì)放出額外的熱量；反之，則從系統(tǒng)外吸收熱量。在半導(dǎo)體器件中，由于載流子是由平均能差異較大的電子和空穴組成，其珀?duì)栙N效應(yīng)更為顯著。半導(dǎo)體就是根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)制冷的。
其他領(lǐng)域
傳感測(cè)量：基于半導(dǎo)體特性，可以設(shè)計(jì)制作各種物理量的測(cè)量，包括溫度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、壓力、電阻等，并且具有靈敏度高、占用體積小、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。
機(jī)械加工：以電火花加工和電解加工為代表的機(jī)械加工，使用傳統(tǒng)技術(shù)通常會(huì)由于電源脈沖寬導(dǎo)致加工精度低，生產(chǎn)效率有限。使用半導(dǎo)體器件組成工作電源和自動(dòng)控制線路，不僅可以實(shí)現(xiàn)更加精度的機(jī)械加工，而且調(diào)節(jié)的范圍也非常靈活。
探傷：利用可控硅組成超聲波電源可以用于各種機(jī)械探傷技術(shù)，如射線探傷、渦流探傷、超聲波探傷等。
發(fā)展趨勢(shì)
新材料的研發(fā)：包括以碳化硅、氮化鎵、氧化鋅等為代表的寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料；以金剛石、一氧化二鎵為代表的超寬禁帶半導(dǎo)體材料；以石墨烯、二硫化鉬、六方氮化硼等為代表的二維材料。通過(guò)這些新材料推動(dòng)半導(dǎo)體器件向著高電子飽和速率、高擊穿電場(chǎng)、較高熱導(dǎo)率、耐腐蝕以及抗輻射等方向發(fā)展。
新型結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計(jì)：基于量子阱、量子線、量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料的設(shè)計(jì)，將推動(dòng)能帶工程用于生產(chǎn)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)高性能的電子、光電子器件。
新工藝的應(yīng)用：以分子束外延和有機(jī)金屬化合物化學(xué)汽相外延技術(shù)的發(fā)展，將延長(zhǎng)硅作為主導(dǎo)半導(dǎo)體材料的使用壽命、擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。
參考資料 >
semiconductora on NSM.The Ioffe Institute.2023-04-26