半導體簡介
顧名思義：導電性能介于
導體(conductor)與
絕緣體(insulator)之間的材料，叫做半導體（semiconductor）．
物質(zhì)存在的形式多種多樣，固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導電性和導電導熱性差或不好的材料，如金剛石、人工晶體、琥珀、陶瓷等等，稱為絕緣體。而把導電、導熱都比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體。可以簡單的把介于導體和絕緣體之間的材料稱為半導體。與導體和絕緣體相比，半導體材料的發(fā)現(xiàn)是zui晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術(shù)改進以后，半導體的存在才真正被學術(shù)界認可
。
半導體定義
電阻率介于
金屬和絕緣體之間并有負的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。
半導體室溫時電阻率約在10-5～107歐·米之間，溫度升高時電阻率指數(shù)則減小。
半導體材料很多，按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。
鍺和硅是zui常用的元素半導體；化合物半導體包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化鎘、硫化鋅等)、
氧化物(
錳、
鉻、
鐵、
銅的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物組成的固溶體（鎵鋁砷、鎵砷磷等）。除上述晶態(tài)半導體外，還有非晶態(tài)的玻璃半導體、有機半導體等。
半導體（東北方言）：意指半導體收音機，因收音機中的晶體管由半導體材料制成而得名。
本征半導體
不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的半導體稱為本征半導體。在極低溫度下，半導體的價帶是滿帶(見能帶理論)，受到熱激發(fā)后，價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導帶，價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位，稱為空穴。導帶中的電子和價帶中的空穴合稱電子-空穴對，均能自由移動，即載流子，它們在外電場作用下產(chǎn)生定向運動而形成宏觀電流，分別稱為電子導電和空穴導電。這種由于電子-空穴對的產(chǎn)生而形成的混合型導電稱為本征導電。導帶中的電子會落入空穴，電子-空穴對消失，稱為復合。復合時釋放出的能量變成電磁輻射（發(fā)光）或晶格的熱振動能量（發(fā)熱）。在一定溫度下，電子- 空穴對的產(chǎn)生和復合同時存在并達到動態(tài)平衡，此時半導體具有一定的載流子密度，從而具有一定的電阻率。溫度升高時，將產(chǎn)生更多的電子 -空穴對，載流子密度增加，電阻率減小。無晶格缺陷的純凈半導體的電阻率較大，實際應用不多。
半導體特點
★在形成晶體結(jié)構(gòu)的半導體中，人為地摻入特定的雜質(zhì)元素，導電性能具有可控性。
★在光照和熱輻射條件下，其導電性有明顯的變化。
晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣，稱為晶格。
共價鍵結(jié)構(gòu)：相鄰的兩個原子的一對zui外層電子（即價電子）不但各自圍繞自身所屬的原子核運動，而且出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上，成為共用電子，構(gòu)成共價鍵。
自由電子的形成：在常溫下，少數(shù)的價電子由于熱運動獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子。
空穴：價電子掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子而留下一個空位置稱空穴。
電子電流：在外加電場的作用下，自由電子產(chǎn)生定向移動，形成電子電流。
空穴電流：價電子按一定的方向依次填補空穴（即空穴也產(chǎn)生定向移動），形成空穴電流。
本征半導體的電流：電子電流+空穴電流。自由電子和空穴所帶電荷極性不同，它們運動方向相反。
載流子：運載電荷的粒子稱為載流子。
導體電的特點：導體導電只有一種載流子，即自由電子導電。
本征半導體電的特點：本征半導體有兩種載流子，即自由電子和空穴均參與導電。
本征激發(fā)：半導體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。
復合：自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補空穴，使兩者同時消失，這種現(xiàn)象稱為復合。
動態(tài)平衡：在一定的溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與空穴對，與復合的自由電子與空穴對數(shù)目相等，達到動態(tài)平衡。
載流子的濃度與溫度的關(guān)系：溫度一定，本征半導體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。當溫度升高時，熱運動加劇，掙脫共價鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多（即載流子的濃度升高），導電性能增強；當溫度降低，則載流子的濃度降低，導電性能變差。
結(jié)論：本征半導體的導電性能與溫度有關(guān)。半導體材料性能對溫度的敏感性，可制作熱敏和光敏器件，又造成半導體器件溫度穩(wěn)定性差的原因。
雜質(zhì)半導體：通過擴散工藝，在本征半導體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可得到雜質(zhì)半導體。
N型半導體：在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導體。
多數(shù)載流子：N型半導體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，稱為多數(shù)載流子，簡稱多子。
少數(shù)載流子：N型半導體中，空穴為少數(shù)載流子，簡稱少子。
施子原子：雜質(zhì)原子可以提供電子，稱施子原子。
N型半導體的導電特性：它是靠自由電子導電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導電性能也就越強。
P型半導體：在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半導體。
多子：P型半導體中，多子為空穴。
少子：P型半導體中，少子為電子。
受主原子：雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，稱受主原子。
P型半導體的導電特性：摻入的雜質(zhì)越多，多子（空穴）的濃度就越高，導電性能也就越強。
結(jié)論：
多子的濃度決定于雜質(zhì)濃度。
少子的濃度決定于溫度。
PN結(jié)的形成：將P型半導體與N型半導體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結(jié)。
PN結(jié)的特點：具有單向?qū)щ娦浴?br />
擴散運動：物質(zhì)總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由于濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。
空間電荷區(qū)：擴散到P區(qū)的自由電子與空穴復合，而擴散到N區(qū)的空穴與自由電子復合，所以在交界面附近多子的濃度下降，P區(qū)出現(xiàn)負離子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)正離子區(qū)，它們是不能移動，稱為空間電荷區(qū)。
電場形成：空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場。
空間電荷加寬，內(nèi)電場增強，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，阻止擴散運動的進行。
漂移運動：在電場力作用下，載流子的運動稱漂移運動。
PN結(jié)的形成過程：如圖所示，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊硅片上，在無外電場和其它激發(fā)作用下，參與擴散運動的多子數(shù)目等于參與漂移運動的少子數(shù)目，從而達到動態(tài)平衡，形成PN結(jié)。
PN結(jié)的形成過程
電位差：空間電荷區(qū)具有一定的寬度，形成電位差Uho，電流為零。
耗盡層：絕大部分空間電荷區(qū)內(nèi)自由電子和空穴的數(shù)目都非常少，在分析PN結(jié)時常忽略載流子的作用，而只考慮離子區(qū)的電荷，稱耗盡層。
PN結(jié)的單向?qū)щ娦?div id="t9etlyn" class="bpctrl">
P端接電源的正極，N端接電源的負極稱之為PN結(jié)正偏。此時PN結(jié)如同一個開關(guān)合上，呈現(xiàn)很小的電阻，稱之為導通狀態(tài)。
P端接電源的負極，N端接電源的正極稱之為PN結(jié)反偏，此時PN結(jié)處于截止狀態(tài)，如同開關(guān)打開。結(jié)電阻很大，當反向電壓加大到一定程度，PN結(jié)會發(fā)生擊穿而損壞。
半導體中的雜質(zhì)對電阻率的影響非常大。半導體中摻入微量雜質(zhì)時，雜質(zhì)原子附近的周期勢場受到干擾并形成附加的束縛狀態(tài)，在禁帶中產(chǎn)加的雜質(zhì)能級。例如四價元素鍺或硅晶體中摻入五價元素磷、砷、銻等雜質(zhì)原子時，雜質(zhì)原子作為晶格的一分子，其五個價電子中有四個與周圍的鍺（或硅）原子形成共價結(jié)合，多余的一個電子被束縛于雜質(zhì)原子附近，產(chǎn)生類氫能級。雜質(zhì)能級位于禁帶上方靠近導帶底附近。雜質(zhì)能級上的電子很易激發(fā)到導帶成為電子載流子。這種能提供電子載流子的雜質(zhì)稱為施主，相應能級稱為施主能級。施主能級上的電子躍遷到導帶所需能量比從價帶激發(fā)到導帶所需能量小得多（圖2）。在鍺或硅晶體中摻入微量三價元素硼、鋁、鎵等雜質(zhì)原子時，雜質(zhì)原子與周圍四個鍺（或硅）原子形成共價結(jié)合時尚缺少一個電子，因而存在一個空位，與此空位相應的能量狀態(tài)就是雜質(zhì)能級，通常位于禁帶下方靠近價帶處。價帶中的電子很易激發(fā)到雜質(zhì)能級上填補這個空位，使雜質(zhì)原子成為負離子。價帶中由于缺少一個電子而形成一個空穴載流子（圖3）。這種能提供空穴的雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)。存在受主雜質(zhì)時，在價帶中形成一個空穴載流子所需能量比本征半導體情形要小得多。半導體摻雜后其電阻率大大下降。加熱或光照產(chǎn)生的熱激發(fā)或光激發(fā)都會使自由載流子數(shù)增加而導致電阻率減小，半導體熱敏電阻和光敏電阻就是根據(jù)此原理制成的。對摻入施主雜質(zhì)的半導體，導電載流子主要是導帶中的電子，屬電子型導電，稱N型半導體。摻入受主雜質(zhì)的半導體屬空穴型導電，稱P型半導體。半導體在任何溫度下都能產(chǎn)生電子-空穴對，故N型半導體中可存在少量導電空穴，P型半導體中可存在少量導電電子，它們均稱為少數(shù)載流子。在半導體器件的各種效應中，少數(shù)載流子常扮演重要角色。
P型半導體與N型半導體相互接觸時，其交界區(qū)域稱為PN結(jié)。P區(qū)中的自由空穴和N區(qū)中的自由電子要向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散，造成正負電荷在PN 結(jié)兩側(cè)的積累，形成電偶極層(圖4)。電偶極層中的電場方向正好阻止擴散的進行。當由于載流子數(shù)密度不等引起的擴散作用與電偶層中電場的作用達到平衡時，P區(qū)和N區(qū)之間形成一定的電勢差，稱為接觸電勢差。由于P區(qū)中的空穴向N區(qū)擴散后與N區(qū)中的電子復合，而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴散后與P區(qū)中的空穴復合，這使電偶極層中自由載流子數(shù)減少而形成高阻層，故電偶極層也叫阻擋層，阻擋層的電阻值往往是組成PN結(jié)的半導體的原有阻值的幾十倍乃至幾百倍。
PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，半導體整流管就是利用PN結(jié)的這一特性制成的。PN結(jié)的另一重要性質(zhì)是受到光照后能產(chǎn)生電動勢，稱光生伏打效應，可利用來制造光電池。半導體三極管、可控硅、PN結(jié)光敏器件和發(fā)光二極管等半導體器件均利用了PN結(jié)的特性。
zui先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導體現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。
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應，這是被發(fā)現(xiàn)的半導體的第二個特征。
觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關(guān)，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*的第三種特性。
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*的性質(zhì)。半導體的這四個效應，(jianxia霍爾效應的余績──四個伴生效應的發(fā)現(xiàn))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
半導體于室溫時電導率約在10ˉ10～10000/Ω·cm之間，純凈的半導體溫度升高時電導率按指數(shù)上升。半導體材料有很多種，按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。。除上述晶態(tài)半導體外，還有非晶態(tài)的有機物半導體等和本征半導體。
A semiconductor is a materialwith an electrical conductivity that is intermediate between thatof an insulatora conductor. A semiconductor behaves as aninsulator at very low temperature,has an appreciableelectrical conductivity at room temperature although much lowerconductivity than a conductor. Commonly used semiconductingmaterials are silicon, germanium,gallium arsenide.
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