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?半導體定義
我們通常把導電性差的材料，如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體（insulator）。
把導電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體（conductor）。
常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料稱為半導體（semiconductor）。
與導體和絕緣體相比，半導體材料的發(fā)現(xiàn)是較晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術改進以后，半導體的存在才真正被學術界認可。
發(fā)展歷史
1833年，英國科學家電子學之父法拉第最先發(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。這是半導體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。
1839年法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導體和電解質(zhì)接觸形成的結，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特效應，這是被發(fā)現(xiàn)的半導體的第二個特征。
1873年，英國的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應，這是半導體又一個特有的性質(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1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。
在1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關，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，這就是半導體的整效應，也是半導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。
很多人會疑問，為什么半導體被認可需要這么多年呢？主要原因是當時的材料不純。沒有好的材料，很多與材料相關的問題就難以說清楚。
半導體分類
按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。
鍺和硅是常用的元素半導體；化合物半導體包括第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，半導體的分類可分為：集成電路器件，分立器件、光電半導體、邏輯IC、模擬IC、儲存器等大類，一般來說這些還會被分成小類。
半導體的特點
半導體五大特性∶摻雜性，熱敏性，光敏性，負電阻率溫度特性，整流特性。
在形成晶體結構的半導體中，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。
半導體工作原理
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，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。
空穴導電并不是實際運動，而是一種等效。電子導電時等電量的空穴會沿其反方向運動。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。
摻雜半導體
半導體之所以能廣泛應用在今日的數(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，這個過程稱之為摻雜（doping）。
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)生附加的雜質(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。
摻雜進入本質(zhì)半導體（intrinsicsemiconductor）的雜質(zhì)濃度與極性皆會對半導體的導電特性產(chǎn)生很大的影響。而摻雜過的半導體則稱為外質(zhì)半導體（extrinsicsemiconductor）。
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。
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，就形成了P型半導體。
多數(shù)載流子：P型半導體中，空穴的濃度大于自由電子的濃度，稱為多數(shù)載流子，簡稱多子。
少數(shù)載流子：P型半導體中，自由電子為少數(shù)載流子，簡稱少子。
受主原子：雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，稱受主原子。
P型半導體的導電特性：它是靠空穴導電，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。
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形成N型半導體。
多子：N型半導體中，多子為自由電子。
少子：N型半導體中，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型半導體的導電特性：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。
半導體摻雜物
摻雜物依照其帶給被摻雜材料的電荷正負被區(qū)分為施主（donor）與受主（acceptor）。施主原子帶來的價電子（valence electrons）大多會與被摻雜的材料原子產(chǎn)生共價鍵，進而被束縛。而沒有和被摻雜材料原子產(chǎn)生共價鍵的電子則會被施主原子微弱地束縛住，這個電子又稱為施主電子。
和本質(zhì)半導體的價電子比起來，施主電子躍遷至傳導帶所需的能量較低，比較容易在半導體材料的晶格中移動，產(chǎn)生電流。雖然施主電子獲得能量會躍遷至傳導帶，但并不會和本質(zhì)半導體一樣留下一個電洞，施主原子在失去了電子后只會固定在半導體材料的晶格中。因此這種因為摻雜而獲得多余電子提供傳導的半導體稱為n型半導體（n-type semiconductor），n代表帶負電荷的電子。
和施主相對的，受主原子進入半導體晶格后，因為其價電子數(shù)目比半導體原子的價電子數(shù)量少，等效上會帶來一個的空位，這個多出的空位即可視為電洞。受主摻雜后的半導體稱為p型半導體（p-type semiconductor），p代表帶正電荷的電洞。
以一個硅的本質(zhì)半導體來說明摻雜的影響。硅有四個價電子，常用于硅的摻雜物有三價與五價的元素。當只有三個價電子的三價元素如硼（boron）摻雜至硅半導體中時，硼扮演的即是受主的角色，摻雜了硼的硅半導體就是p型半導體。反過來說，如果五價元素如磷（phosphorus）摻雜至硅半導體時，磷扮演施主的角色，摻雜磷的硅半導體成為n型半導體。
一個半導體材料有可能先后摻雜施主與受主，而如何決定此外質(zhì)半導體為n型或p型必須視摻雜后的半導體中，受主帶來的電洞濃度較高或是施主帶來的電子濃度較高，亦即何者為此外質(zhì)半導體的“多數(shù)載子”（majoritycarrier）。和多數(shù)載子相對的是少數(shù)載子（minoritycarrier）。對于半導體元件的操作原理分析而言，少數(shù)載子在半導體中的行為有著非常重要的地位。
摻雜對結構的影響
摻雜之后的半導體能帶會有所改變。依照摻雜物的不同，本質(zhì)半導體的能隙之間會出現(xiàn)不同的能階。施主原子會在靠近傳導帶的地方產(chǎn)生一個新的能階，而受主原子則是在靠近價帶的地方產(chǎn)生新的能階。假設摻雜硼原子進入硅，則因為硼的能階到硅的價帶之間僅有0.045電子伏特，遠小于硅本身的能隙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）。
摻雜物對于能帶結構的另一個重大影響是改變了費米能階的位置。在熱平衡的狀態(tài)下費米能階依然會保持定值，這個特性會引出很多其他有用的電特性。舉例來說，一個p-n接面（p-n junction）的能帶會彎折，起因是原本p型半導體和n型半導體的費米能階位置各不相同，但是形成p-n接面后其費米能階必須保持在同樣的高度，造成無論是p型或是n型半導體的傳導帶或價帶都會被彎曲以配合接面處的能帶差異。
上述的效應可以用能帶圖（banddiagram）來解釋，。在能帶圖里橫軸代表位置，縱軸則是能量。圖中也有費米能階，半導體的本質(zhì)費米能階（intrinsicFermi level）通常以Ei來表示。在解釋半導體元件的行為時，能帶圖是非常有用的工具。
PN結
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。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 結兩側的積累，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結的半導體的原有阻值的幾十倍乃至幾百倍。
PN結具有單向?qū)щ娦?，半導體整流管就是利用PN結的這一特性制成的。
PN結的另一重要性質(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結光敏器件和發(fā)光二極管等半導體器件均利用了PN結的特性。
PN結的單向?qū)щ娦裕篜端接電源的正極，N端接電源的負極稱之為PN結正偏。此時PN結如同一個開關合上，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結反偏，此時PN結處于截止狀態(tài)，如同開關打開。結電阻很大，當反向電壓加大到一定程度，PN結會發(fā)生擊穿而損壞。
半導體材料的制造
為了滿足量產(chǎn)上的需求，半導體的電性必須是可預測并且穩(wěn)定的，因此包括摻雜物的純度以及半導體晶格結構的品質(zhì)都必須嚴格要求。常見的品質(zhì)問題包括晶格的錯位（dislocation）、雙晶面（twins），或是堆棧錯誤（stacking fault）都會影響半導體材料的特性。對于一個半導體元件而言，材料晶格的缺陷通常是影響元件性能的主因。
目前用來成長高純度單晶半導體材料最常見的方法稱為裘可拉斯基制程（Czochralski process）。這種制程將一個單晶的晶種（seed）放入溶解的同材質(zhì)液體中，再以旋轉的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時，溶質(zhì)將會沿著固體和液體的接口固化，而旋轉則可讓溶質(zhì)的溫度均勻。
半導體的應用
1.最早的實用半導體是電晶體（Transistor）/二極體（Diode）。在無線電收音機（Radio）及電視機（Television）半導體中，作為訊號放大器/整流器用。
2.發(fā)展太陽能（Solar Power），也用在光電池（Solar Cell）中。
3.半導體可以用來測量溫度，測溫范圍可以達到生產(chǎn)、生活、醫(yī)療衛(wèi)生、科研教學等應用的70%的領域，有較高的準確度和穩(wěn)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。
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4.半導體致冷器的發(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.
半導體與集成電路的關系
半導體是指導電性能介于導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，主要是因為其內(nèi)部有電流的各種變化，而之所以形成電流，主要是因為有電子在金屬線路和電子元件之間流動（運動/遷移）。所以，電子在材料中運動的難易程度，決定了其導電性能。常見的金屬材料在常溫下電子就很容易獲得能量發(fā)生運動，因此其導電性能好；絕緣體由于其材料本身特性，電子很難獲得導電所需能量，其內(nèi)部很少電子可以遷移，因此幾乎不導電。而半導體材料的導電特性則介于這兩者之間，并且可以通過摻入雜質(zhì)來改變其導電性能，人為控制它導電或者不導電以及導電的容易程度。這一點稱之為半導體的可摻雜特性。
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前面說過，集成電路的基礎是晶體管，發(fā)明了晶體管才有可能創(chuàng)造出集成電路，而晶體管的基礎則是半導體，因此半導體也是集成電路的基礎。半導體之于集成電路，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材料——就是半導體。常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵（化合物），其中應用廣的、商用化成功的當推“硅”。
那么半導體，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)過氧化所形成的二氧化硅性能穩(wěn)定，能夠作為半導體器件中所需的優(yōu)良的絕緣膜使用，這是器件結構方面的原因。關鍵的一點還是在于集成電路的平面工藝，硅更容易實施氧化、光刻、擴散等工藝，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，對硅晶體管和集成電路工藝有了解后，會更容易理解這個問題。
除了可摻雜性之外，半導體還具有熱敏性、光敏性、負電阻率溫度、可整流等幾個特性，因此半導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加工技術，還可以制成MEMS（微機械電子系統(tǒng)），應用在電子、醫(yī)療領域。
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