自然界的萬物都有各自獨特的特性，我們人類能做的也只是探索這些物體的特性，并利用它為自己服務。在我們電子領域，根據物體的導電特性，通常可以分為：導體，絕緣體，以及處于導體和絕緣體之間的半導體。我們今天要聊的就是這個特殊的材料——半導體。半導體幾乎撐起了現代電子技術的全部，二極管，晶體管以及IC都是由半導體材料制成。在可預見的未來，它們是大多數電子系統的關鍵元件，服務于消費和工業市場的通信、信號處理、計算和控制應用。

半導體材料簡介

下圖是來自公開網絡的一份關于材料導電特性的示意圖，材料的導電特性可以用電阻率ρ，或者電導率σ，這兩個希臘字母用的也特別到位，電導率σ， 就是電阻率ρ的倒數。絕緣體具有比較低的電導率，比如玻璃或者石英，而導體的電導率則比較高，比如銀，銅，鋁，金。在這里提醒一下大家，金雖然貴，但是電導率并不好，最好的是銀，越純越好，其次是紫銅，越純越好，黃銅就一般般了，另外有些導體在某種環境下，會變得更加導電，稱為超導體。半導體的導電率處于絕緣體和導體之間，通常對溫度、光照、磁場和微量雜質原子很敏感，比如每百萬硅原子添加約 10 個硼原子（稱為摻雜劑）可以將其電導率提高一千倍，常用的半導體材料比如硅Si ，鍺Ge，以及現在應用比較廣的氮化鎵，砷化鎵等。

半導體材料的研究始于19世紀，這個時候還有一個重要的俄國化學家德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫總結整理的元素周期表。

這個還要感謝老朱家的貢獻了中國的元素周期表。

元素半導體是由單種原子組成的半導體，例如硅（Si），鍺（Ge）和錫（Sn）列在元素周期表的IV列，硒（Se）和碲（Te）列在元素周期表的VI列。然而，有許多由兩種或多種元素組成的化合物半導體。例如，砷化鎵 (GaAs) 是一種二元 III-V 化合物，它是來自 III 列的鎵(Ga) 和來自 V 列的砷(As) 的組合。三元化合物可以由來自三個不同列的元素形成——例如，碲化銦汞（HgIn 2 Te 4)，一種 II-III-VI 化合物。它們也可以由來自兩列的元素形成，例如砷化鋁鎵 (Al x Ga 1 - x As)，它是一種三元 III-V 化合物，其中 Al 和 Ga 都來自 III 列，下標x相關兩種元素的組成從 100% Al ( x = 1) 到 100% Ga ( x = 0)。純的硅是集成電路應用最重要的材料，而 III-V 二元和三元化合物對發光最重要。

在 1947 年雙極晶體管發明之前，半導體僅用作兩端器件，例如整流器和光電二極管。在 1950 年代初期，鍺是主要的半導體材料。然而，事實證明它不適用于許多應用，因為由該材料制成的器件僅在適度升高的溫度下就表現出高泄漏電流。自 1960 年代初以來，硅已成為迄今為止使用最廣泛的半導體，幾乎取代了鍺作為器件制造材料。造成這種情況的主要原因有兩個：(1) 硅器件表現出低得多的漏電流，以及 (2)二氧化硅(SiO 2)，它是一種高質量的絕緣體，很容易作為硅基器件的一部分。因此，硅技術已經變得非常先進和普及，硅器件占全球銷售的所有半導體產品的 95% 以上。

許多化合物半導體具有某些特定的電學和光學特性，優于它們在硅中的對應物。這些半導體，尤其是砷化鎵，主要用于光電和某些射頻 (RF) 應用。

半導體材料的電特性

半導體材料也可以分為兩類：純半導體材料和參雜半導體材料。極純形式的半導體被稱為本征半導體。但是這種純形式的傳導能力太低了。為了增加本征半導體的導電能力，最好添加一些雜質。這種添加雜質的過程稱為摻雜。現在，這種摻雜的本征半導體被稱為外在半導體。

純半導體材料主要由硅和鍺，是一種單晶材料。，原子以三維周期性方式排列。該圖的A 部分顯示了包含可忽略不計雜質的本征（純）硅晶體的簡化二維表示。晶體中的每個硅原子都被四個最近的鄰居包圍。每個原子有四個外軌道上的電子，并與它的四個鄰居共享這些電子。每個共享電子對構成一個共價鍵。電子和兩個原子核之間的吸引力將兩個原子結合在一起。對于孤立的原子（例如，在氣體而不是晶體中），電子只能具有離散的能級。然而，當大量原子聚集在一起形成晶體時，原子之間的相互作用導致離散的能級擴散到能帶。當沒有熱振動時（即在低溫下），絕緣體或半導體晶體中的電子將完全填滿許多能帶，而其余的能帶則為空。最高的填充帶稱為價帶。下一個能帶是導帶，它與價帶之間有一個能隙（晶體絕緣體中的間隙比半導體大得多）。這個能隙，也稱為帶隙，是一個指定晶體中電子不能擁有的能量的區域。大多數重要的半導體的帶隙在 0.25 到 2.5電子伏特之間(eV)。例如，硅的帶隙為 1.12 eV，砷化鎵的帶隙為 1.42 eV。相比之下，良好的結晶絕緣體金剛石的帶隙為 5.5 eV。

在低溫下，半導體中的電子被束縛在晶體中各自的能帶中。因此，它們不能用于導電。在較高溫度下，熱振動可能會破壞一些共價鍵，從而產生可以參與電流傳導的自由電子。一旦電子離開共價鍵，就會出現與該鍵相關的電子空位。該空位可能被相鄰的電子填充，這導致空位位置從一個晶體位置移動到另一個晶體位置。這種空位可以被視為一種虛構的粒子，被稱為“空穴”，它攜帶正電荷并沿與電子相反的方向移動。當電場應用于半導體時，自由電子（現在位于導帶中）和空穴（留在價帶中）都穿過晶體，產生電流。材料的電導率取決于每單位體積的自由電子和空穴（電荷載流子）的數量以及這些載流子在電場影響下移動的速率。在本征半導體中存在相等數量的自由電子和空穴。然而，電子和空穴具有不同的遷移率。也就是說，它們在電場中以不同的速度運動。例如，對于室溫下的本征硅，電子遷移率為 1,500 平方厘米/伏秒（cm 2/V·s)——即，在每厘米 1 伏特的電場下，電子將以每秒 1,500 厘米的速度移動——而空穴遷移率為 500 cm 2 /V·s。特定半導體中的電子和空穴遷移率通常隨著溫度升高而降低。

本征半導體的導電性在室溫下非常差。為了產生更高的導電性，可以有意引入雜質（通常濃度為百萬分之一的主體原子）。這就是所謂的摻雜, 一種 增加 電導率 的 工藝 , 盡管 有 一定 的流動性損失. 例如，如果一個硅原子被一個具有五個外部電子的原子取代，例如砷（參見圖中的 B 部分），則其中四個電子與四個相鄰的硅原子形成共價鍵。第五個電子變成傳導電子，捐贈給導帶。硅變成了一個n型半導體，因為添加了電子。砷原子是供體。類似地，圖中的 C 部分表明，如果用一個具有三個外層電子的原子（例如硼）代替一個硅原子，則接受一個額外的電子，在硼原子周圍形成四個共價鍵，一個帶正電的空穴是在價帶中產生。這產生了p型半導體，其中硼構成受體。

在p側，空穴構成主要載流子，因此被稱為多數載流子。p側也會存在少量熱產生的電子；這些被稱為少數載流子。在n另一方面，電子是多數載流子，而空穴是少數載流子。結附近是沒有自由電荷載流子的區域。該區域稱為耗盡層，表現為絕緣體。

p - n 結最重要的特性是它們可以整流。該圖的 A 部分顯示了典型硅 p - n結的電流-電壓特性。當向p - n結施加正向偏壓時（即，相對于n側向p側施加正電壓，如圖的 B 部分所示），多數電荷載流子在結上移動使大電流可以流動。然而，當施加反向偏壓時（如圖中的 C 部分），由雜質引入的電荷載流子沿相反方向遠離結點移動，只有很小的漏電流流動。隨著反向偏壓的增加，泄漏電流保持非常小，直到達到臨界電壓，此時電流突然增加。這種電流的突然增加被稱為結擊穿，如果產生的功率耗散被限制在安全值，通常是一種非破壞性現象。施加的正向電壓通常小于 1 伏，但稱為擊穿電壓的反向臨界電壓可以從小于 1 伏到數千伏不等，具體取決于結和其他器件的雜質濃度參數。

P-N 結的應用構成了現在半導體的基礎，盡管現在已經有更多的結被發明，比如 PNP或者NPN，但是依然無法動搖 PN 結在現在電子中的應用。

審核編輯：湯梓紅