?半導(dǎo)體定義

我們通常把導(dǎo)電性差的材料，如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體（insulator）。

把導(dǎo)電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導(dǎo)體（conductor）。

常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體（semiconductor）。

與導(dǎo)體和絕緣體相比，半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是較晚的，直到20世紀(jì)30年代，當(dāng)材料的提純技術(shù)改進(jìn)以后，半導(dǎo)體的存在才真正被學(xué)術(shù)界認(rèn)可。

發(fā)展歷史

1833年，英國(guó)科學(xué)家電子學(xué)之父法拉第最先發(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(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。

1839年法國(guó)的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來(lái)人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特征。

1873年，英國(guó)的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體又一個(gè)特有的性質(zhì)。半導(dǎo)體的這四個(gè)效應(yīng)，(jianxia霍爾效應(yīng)的余績(jī)──四個(gè)伴生效應(yīng)的發(fā)現(xiàn))雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。

在1874年，德國(guó)的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過(guò)來(lái)，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。

很多人會(huì)疑問(wèn)，為什么半導(dǎo)體被認(rèn)可需要這么多年呢？主要原因是當(dāng)時(shí)的材料不純。沒(méi)有好的材料，很多與材料相關(guān)的問(wèn)題就難以說(shuō)清楚。

半導(dǎo)體分類

按化學(xué)成分可分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體兩大類。

鍺和硅是常用的元素半導(dǎo)體；化合物半導(dǎo)體包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物（砷化鎵、磷化鎵等）、第Ⅱ和第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）。

按照其制造技術(shù)，半導(dǎo)體的分類可分為：集成電路器件，分立器件、光電半導(dǎo)體、邏輯IC、模擬IC、儲(chǔ)存器等大類，一般來(lái)說(shuō)這些還會(huì)被分成小類。

半導(dǎo)體的特點(diǎn)

半導(dǎo)體五大特性∶摻雜性，熱敏性，光敏性，負(fù)電阻率溫度特性，整流特性。

在形成晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體中，人為地?fù)饺胩囟ǖ碾s質(zhì)元素，導(dǎo)電性能具有可控性。在光照和熱輻射條件下，其導(dǎo)電性有明顯的變化。

半導(dǎo)體工作原理

本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在極低溫度下，半導(dǎo)體的價(jià)帶是滿帶，受到熱激發(fā)后，價(jià)帶中的部分電子會(huì)越過(guò)禁帶進(jìn)入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶，價(jià)帶中缺少一個(gè)電子后形成一個(gè)帶正電的空位，稱為空穴。

空穴導(dǎo)電并不是實(shí)際運(yùn)動(dòng)，而是一種等效。電子導(dǎo)電時(shí)等電量的空穴會(huì)沿其反方向運(yùn)動(dòng)。它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而形成宏觀電流，分別稱為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電。

這種由于電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生而形成的混合型導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電。導(dǎo)帶中的電子會(huì)落入空穴，電子-空穴對(duì)消失，稱為復(fù)合。復(fù)合時(shí)釋放出的能量變成電磁輻射（發(fā)光）或晶格的熱振動(dòng)能量（發(fā)熱）。在一定溫度下，電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合同時(shí)存在并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)半導(dǎo)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(shí)，將產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)，載流子密度增加，電阻率減小。無(wú)晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體的電阻率較大，實(shí)際應(yīng)用不多。

摻雜半導(dǎo)體

半導(dǎo)體之所以能廣泛應(yīng)用在今日的數(shù)位世界中，憑借的就是其能借由在其晶格中植入雜質(zhì)改變其電性，這個(gè)過(guò)程稱之為摻雜（doping）。

半導(dǎo)體中的雜質(zhì)對(duì)電阻率的影響非常大。半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)原子附近的周期勢(shì)場(chǎng)受到干擾并形成附加的束縛狀態(tài)，在禁帶中產(chǎn)生附加的雜質(zhì)能級(jí)。例如四價(jià)元素鍺或硅晶體中摻入五價(jià)元素磷、砷、銻等雜質(zhì)原子時(shí)，雜質(zhì)原子作為晶格的一分子，其五個(gè)價(jià)電子中有四個(gè)與周圍的鍺（或硅）原子形成共價(jià)結(jié)合，多余的一個(gè)電子被束縛于雜質(zhì)原子附近，產(chǎn)生類氫能級(jí)。雜質(zhì)能級(jí)位于禁帶上方靠近導(dǎo)帶底附近。雜質(zhì)能級(jí)上的電子很易激發(fā)到導(dǎo)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(yīng)能級(jí)稱為施主能級(jí)。

摻雜進(jìn)入本質(zhì)半導(dǎo)體（intrinsicsemiconductor）的雜質(zhì)濃度與極性皆會(huì)對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性產(chǎn)生很大的影響。而摻雜過(guò)的半導(dǎo)體則稱為外質(zhì)半導(dǎo)體（extrinsicsemiconductor）。

雜質(zhì)半導(dǎo)體：通過(guò)擴(kuò)散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了P型半導(dǎo)體。

多數(shù)載流子：P型半導(dǎo)體中，空穴的濃度大于自由電子的濃度，稱為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子。

少數(shù)載流子：P型半導(dǎo)體中，自由電子為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。

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(dǎo)體的導(dǎo)電特性：它是靠空穴導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（空穴）的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。

N型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置形成N型半導(dǎo)體。

多子：N型半導(dǎo)體中，多子為自由電子。

少子：N型半導(dǎo)體中，少子為空穴。

施主原子：雜質(zhì)原子可以提供電子，稱施主原子。

N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)。

半導(dǎo)體摻雜物

摻雜物依照其帶給被摻雜材料的電荷正負(fù)被區(qū)分為施主（donor）與受主（acceptor）。施主原子帶來(lái)的價(jià)電子（valence electrons）大多會(huì)與被摻雜的材料原子產(chǎn)生共價(jià)鍵，進(jìn)而被束縛。而沒(méi)有和被摻雜材料原子產(chǎn)生共價(jià)鍵的電子則會(huì)被施主原子微弱地束縛住，這個(gè)電子又稱為施主電子。

和本質(zhì)半導(dǎo)體的價(jià)電子比起來(lái)，施主電子躍遷至傳導(dǎo)帶所需的能量較低，比較容易在半導(dǎo)體材料的晶格中移動(dòng)，產(chǎn)生電流。雖然施主電子獲得能量會(huì)躍遷至傳導(dǎo)帶，但并不會(huì)和本質(zhì)半導(dǎo)體一樣留下一個(gè)電洞，施主原子在失去了電子后只會(huì)固定在半導(dǎo)體材料的晶格中。因此這種因?yàn)閾诫s而獲得多余電子提供傳導(dǎo)的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體（n-type semiconductor），n代表帶負(fù)電荷的電子。

和施主相對(duì)的，受主原子進(jìn)入半導(dǎo)體晶格后，因?yàn)槠鋬r(jià)電子數(shù)目比半導(dǎo)體原子的價(jià)電子數(shù)量少，等效上會(huì)帶來(lái)一個(gè)的空位，這個(gè)多出的空位即可視為電洞。受主摻雜后的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體（p-type semiconductor），p代表帶正電荷的電洞。

以一個(gè)硅的本質(zhì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)明摻雜的影響。硅有四個(gè)價(jià)電子，常用于硅的摻雜物有三價(jià)與五價(jià)的元素。當(dāng)只有三個(gè)價(jià)電子的三價(jià)元素如硼（boron）摻雜至硅半導(dǎo)體中時(shí)，硼扮演的即是受主的角色，摻雜了硼的硅半導(dǎo)體就是p型半導(dǎo)體。反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果五價(jià)元素如磷（phosphorus）摻雜至硅半導(dǎo)體時(shí)，磷扮演施主的角色，摻雜磷的硅半導(dǎo)體成為n型半導(dǎo)體。

一個(gè)半導(dǎo)體材料有可能先后摻雜施主與受主，而如何決定此外質(zhì)半導(dǎo)體為n型或p型必須視摻雜后的半導(dǎo)體中，受主帶來(lái)的電洞濃度較高或是施主帶來(lái)的電子濃度較高，亦即何者為此外質(zhì)半導(dǎo)體的“多數(shù)載子”（majoritycarrier）。和多數(shù)載子相對(duì)的是少數(shù)載子（minoritycarrier）。對(duì)于半導(dǎo)體元件的操作原理分析而言，少數(shù)載子在半導(dǎo)體中的行為有著非常重要的地位。

摻雜對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

摻雜之后的半導(dǎo)體能帶會(huì)有所改變。依照摻雜物的不同，本質(zhì)半導(dǎo)體的能隙之間會(huì)出現(xiàn)不同的能階。施主原子會(huì)在靠近傳導(dǎo)帶的地方產(chǎn)生一個(gè)新的能階，而受主原子則是在靠近價(jià)帶的地方產(chǎn)生新的能階。假設(shè)摻雜硼原子進(jìn)入硅，則因?yàn)榕鸬哪茈A到硅的價(jià)帶之間僅有0.045電子伏特，遠(yuǎn)小于硅本身的能隙1.12電子伏特，所以在室溫下就可以使摻雜到硅里的硼原子完全解離化（ionize）。

摻雜物對(duì)于能帶結(jié)構(gòu)的另一個(gè)重大影響是改變了費(fèi)米能階的位置。在熱平衡的狀態(tài)下費(fèi)米能階依然會(huì)保持定值，這個(gè)特性會(huì)引出很多其他有用的電特性。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)p-n接面（p-n junction）的能帶會(huì)彎折，起因是原本p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能階位置各不相同，但是形成p-n接面后其費(fèi)米能階必須保持在同樣的高度，造成無(wú)論是p型或是n型半導(dǎo)體的傳導(dǎo)帶或價(jià)帶都會(huì)被彎曲以配合接面處的能帶差異。

上述的效應(yīng)可以用能帶圖（banddiagram）來(lái)解釋，。在能帶圖里橫軸代表位置，縱軸則是能量。圖中也有費(fèi)米能階，半導(dǎo)體的本質(zhì)費(fèi)米能階（intrinsicFermi level）通常以Ei來(lái)表示。在解釋半導(dǎo)體元件的行為時(shí)，能帶圖是非常有用的工具。

PN結(jié)

P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體相互接觸時(shí)，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(kuò)散，造成正負(fù)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(chǎng)方向正好阻止擴(kuò)散的進(jìn)行。當(dāng)由于載流子數(shù)密度不等引起的擴(kuò)散作用與電偶層中電場(chǎng)的作用達(dá)到平衡時(shí)，P區(qū)和N區(qū)之間形成一定的電勢(shì)差，稱為接觸電勢(shì)差。由于P 區(qū)中的空穴向N區(qū)擴(kuò)散后與N區(qū)中的電子復(fù)合，而N區(qū)中的電子向P區(qū)擴(kuò)散后與P 區(qū)中的空穴復(fù)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(dǎo)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?dǎo)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(dòng)勢(shì)，稱光生伏打效應(yīng)，可利用來(lái)制造光電池。半導(dǎo)體三極管、可控硅、PN結(jié)光敏器件和發(fā)光二極管等半導(dǎo)體器件均利用了PN結(jié)的特性。

PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕篜端接電源的正極，N端接電源的負(fù)極稱之為PN結(jié)正偏。此時(shí)PN結(jié)如同一個(gè)開(kāi)關(guān)合上，呈現(xiàn)很小的電阻，稱之為導(dǎo)通狀態(tài)。P端接電源的負(fù)極，N端接電源的正極稱之為PN結(jié)反偏，此時(shí)PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，如同開(kāi)關(guān)打開(kāi)。結(jié)電阻很大，當(dāng)反向電壓加大到一定程度，PN結(jié)會(huì)發(fā)生擊穿而損壞。

半導(dǎo)體材料的制造

為了滿足量產(chǎn)上的需求，半導(dǎo)體的電性必須是可預(yù)測(cè)并且穩(wěn)定的，因此包括摻雜物的純度以及半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)的品質(zhì)都必須嚴(yán)格要求。常見(jiàn)的品質(zhì)問(wèn)題包括晶格的錯(cuò)位（dislocation）、雙晶面（twins），或是堆棧錯(cuò)誤（stacking fault）都會(huì)影響半導(dǎo)體材料的特性。對(duì)于一個(gè)半導(dǎo)體元件而言，材料晶格的缺陷通常是影響元件性能的主因。

目前用來(lái)成長(zhǎng)高純度單晶半導(dǎo)體材料最常見(jiàn)的方法稱為裘可拉斯基制程（Czochralski process）。這種制程將一個(gè)單晶的晶種（seed）放入溶解的同材質(zhì)液體中，再以旋轉(zhuǎn)的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時(shí)，溶質(zhì)將會(huì)沿著固體和液體的接口固化，而旋轉(zhuǎn)則可讓溶質(zhì)的溫度均勻。

半導(dǎo)體的應(yīng)用

1.最早的實(shí)用半導(dǎo)體是電晶體（Transistor）/二極體（Diode）。在無(wú)線電收音機(jī)（Radio）及電視機(jī)（Television）半導(dǎo)體中，作為訊號(hào)放大器/整流器用。

2.發(fā)展太陽(yáng)能（Solar Power），也用在光電池（Solar Cell）中。

3.半導(dǎo)體可以用來(lái)測(cè)量溫度，測(cè)溫范圍可以達(dá)到生產(chǎn)、生活、醫(yī)療衛(wèi)生、科研教學(xué)等應(yīng)用的70%的領(lǐng)域，有較高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，分辨率可達(dá)0.1℃，甚至達(dá)到0.01℃也不是不可能，線性度0.2%，測(cè)溫范圍-100~+300℃，是性價(jià)比極高的一種測(cè)溫元件。

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4.半導(dǎo)體致冷器的發(fā)展,它也叫熱電致冷器或溫差致冷器,它采用了帕爾貼效應(yīng).

半導(dǎo)體與集成電路的關(guān)系

半導(dǎo)體是指導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。我們知道，電路之所以具有某種功能，主要是因?yàn)槠鋬?nèi)部有電流的各種變化，而之所以形成電流，主要是因?yàn)橛须娮釉诮饘倬€路和電子元件之間流動(dòng)（運(yùn)動(dòng)/遷移）。所以，電子在材料中運(yùn)動(dòng)的難易程度，決定了其導(dǎo)電性能。常見(jiàn)的金屬材料在常溫下電子就很容易獲得能量發(fā)生運(yùn)動(dòng)，因此其導(dǎo)電性能好；絕緣體由于其材料本身特性，電子很難獲得導(dǎo)電所需能量，其內(nèi)部很少電子可以遷移，因此幾乎不導(dǎo)電。而半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性則介于這兩者之間，并且可以通過(guò)摻入雜質(zhì)來(lái)改變其導(dǎo)電性能，人為控制它導(dǎo)電或者不導(dǎo)電以及導(dǎo)電的容易程度。這一點(diǎn)稱之為半導(dǎo)體的可摻雜特性。

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前面說(shuō)過(guò)，集成電路的基礎(chǔ)是晶體管，發(fā)明了晶體管才有可能創(chuàng)造出集成電路，而晶體管的基礎(chǔ)則是半導(dǎo)體，因此半導(dǎo)體也是集成電路的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體之于集成電路，如同土地之于城市。很明顯，山地、丘陵多者不適合建造城市，沙化土壤、石灰?guī)r多的地方也不適合建造城市。“建造”城市需要選一塊好地，“集成”電路也需要一塊合適的基礎(chǔ)材料——就是半導(dǎo)體。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵（化合物），其中應(yīng)用廣的、商用化成功的當(dāng)推“硅”。

那么半導(dǎo)體，特別是硅，為什么適合制造集成電路呢？有多方面的原因。硅是地殼中豐富的元素，僅次于氧。自然界中的巖石、砂礫等存在大量硅酸鹽或二氧化硅，這是原料成本方面的原因。硅的可摻雜特性容易控制，容易制造出符合要求的晶體管，這是電路原理方面的原因。硅經(jīng)過(guò)氧化所形成的二氧化硅性能穩(wěn)定，能夠作為半導(dǎo)體器件中所需的優(yōu)良的絕緣膜使用，這是器件結(jié)構(gòu)方面的原因。關(guān)鍵的一點(diǎn)還是在于集成電路的平面工藝，硅更容易實(shí)施氧化、光刻、擴(kuò)散等工藝，更方便集成，其性能更容易得到控制。因此后續(xù)主要介紹的也是基于硅的集成電路知識(shí)，對(duì)硅晶體管和集成電路工藝有了解后，會(huì)更容易理解這個(gè)問(wèn)題。

除了可摻雜性之外，半導(dǎo)體還具有熱敏性、光敏性、負(fù)電阻率溫度、可整流等幾個(gè)特性，因此半導(dǎo)體材料除了用于制造大規(guī)模集成電路之外，還可以用于功率器件、光電器件、壓力傳感器、熱電制冷等用途；利用微電子的超微細(xì)加工技術(shù)，還可以制成MEMS（微機(jī)械電子系統(tǒng)），應(yīng)用在電子、醫(yī)療領(lǐng)域。

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