半导体

半導體

半導體( semiconductor)，指常溫下導電性能介於導體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料。

半導體在收音機、電視機以及測溫上有着廣泛的應用。如二極管就是採用半導體製作的器件。半導體是指一種導電性可受控制，範圍可從絕緣體至導體之間的材料。無論從科技或是經濟發展的角度來看，半導體的重要性都是非常巨大的。今日大部分的電子產品，如計算機、移動電話或是數字錄音機當中的核心單元都和半導體有着極為密切的關連。常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅更是各種半導體材料中，在商業應用上最具有影響力的一種。

基本信息

中文名稱 半導體

外文名稱 semiconductor

應用 收音機、電視機以及測溫

物質形式 氣體、等離子體等

導體的概念

半導體（semiconductor），指常溫下導電性能介於導體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料。半導體在收音機、電視機以及測溫上有着廣泛的應用。

物質存在的形式多種多樣，固體、液體、氣體、等離子體等。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。而把導電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體。可以簡單的把介於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，半導體材料的發現是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術改進以後，半導體的存在才真正被學術界認可。

本徵半導體：不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本徵半導體。在極低溫度下，半導體的價帶是滿帶（見能帶理論），受到熱激發後，價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶，空帶中存在電子後成為導帶，價帶中缺少一個電子後形成一個帶正電的空位，稱為空穴。空穴導電並不是實際運動，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。這種由於電子-空穴對的產生而形成的混合型導電稱為本徵導電。導帶中的電子會落入空穴，電子-空穴對消失，稱為複合。複合時釋放出的能量變成電磁輻射（發光）或晶格的熱振動能量（發熱）。在一定溫度下，電子- 空穴對的產生和複合同時存在並達到動態平衡，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。無晶格缺陷的純淨半導體的電阻率較大，實際應用不多。

發展歷程

1833年，英國巴拉迪最先發現硫化銀的電阻隨着溫度的變化情況不同於一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發現硫化銀材料的電阻是隨着溫度的上升而降低。這是半導體現象的首次發現。

1839年法國的貝克萊爾發現半導體和電解質接觸形成的結，在光照下會產生一個電壓，這就是後來人們熟知的光生伏特效應，這是被發現的半導體的第二個特徵。

1873年，英國的史密斯發現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。半導體的這四個效應，(jianxia霍爾效應的余績──四個伴生效應的發現)雖在1880年以前就先後被發現了，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。

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，這就是半導體的整流效應，也是半導體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發現了銅與氧化銅的整流效應。

2015年中國在公布的「中國製造2025」戰略中提出培育半導體產業。為此，中國地方政府競相利用優惠政策吸引國內外的半導體相關企業。

2018年4月11日，復旦大學微電子學院教授張衛、周鵬團隊成員劉春森在實驗室內對硅片進行切割。張衛、周鵬團隊實現了具有顛覆性的二維半導體准非易失存儲原型器件，開創了第三類存儲技術。中國大型半導體企業紫光集團旗下的長江存儲科技在湖北省武漢市推進的三維NAND的量產項目，愛德萬測試的銷售負責人稱「估計將在2018年底到2019年迅速實現量產」。

2018年4月24日，《日本經濟新聞》預計最早在2018年底開始向市場供應尖端產品三維NAND型閃存芯片。曾在液晶面板等眾多產業出現的產品供給過剩也可能在半導體領域引發價格下跌。[2]

半導體的應用

由於智能型手機消費者需求的增加，無線市場目前是半導體應用中，成長擴大速度最快的一個領域。隨着智能型手機需求的增加，而朝向無線基地台的普及及網路基本設備的擴展發展。

Databeans在該報告中指出，通訊應用的各部門均分成無線市場與有線市場兩大類。分類為「無線」的產品包含行動電話(功能型手機，智能型手機)、無線基本設備(行動電話基地台等)、短距離無線(802.11、藍牙，ZigBee，NFC)、及其他無線(無線電芯片等)部門。將無線市場視為單一部門來看，則該市場規模在半導體領域上，是僅次於計算機市場的第二大市場。2012年預計全球市場的銷售額將比前一年增加6%，達到約755億美金。這是約占半導體全球市場的25%市占率的水準。更進一步來看，無線市場是半導體消費整體市場中成長率最高的部門，預計接下來的五年間，成長率將大於整體市場的成長率。

主要特點

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。

共價鍵結構：相鄰的兩個原子的一對最外層電子（即價電子）不但各自圍繞自身所屬的原子核運動，而且出現在相鄰原子所屬的軌道上，成為共用電子，構成共價鍵。

自由電子的形成：在常溫下，少數的價電子由於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（即空穴也產生定向移動），形成空穴電流。

本徵半導體的電流：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。

本徵半導體電的特點：本徵半導體有兩種載流子，即自由電子和空穴均參與導電。

本徵激發：半導體在熱激發下產生自由電子和空穴的現象稱為本徵激發。

複合：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，這種現象稱為複合。

動態平衡：在一定的溫度下，本徵激發所產生的自由電子與空穴對，與複合的自由電子與空穴對數目相等，達到動態平衡。

載流子的濃度與溫度的關係：溫度一定，本徵半導體中載流子的濃度是一定的，並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。

結論：本徵半導體的導電性能與溫度有關。半導體材料性能對溫度的敏感性，可製作熱敏和光敏器件，又造成半導體器件溫度穩定性差的原因。

雜質半導體：通過擴散工藝，在本徵半導體中摻入少量合適的雜質元素，可得到雜質半導體。

P型半導體：在純淨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。

多數載流子：P型半導體中，空穴的濃度大於自由電子的濃度，稱為多數載流子，簡稱多子。

少數載流子：P型半導體中，自由電子為少數載流子，簡稱少子。

受主原子：雜質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：在純淨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。

施子原子：雜質原子可以提供電子，稱施子原子。

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

結論：

多子的濃度決定於雜質濃度。

少子的濃度決定於溫度。

PN結的形成：將P型半導體與N型半導體製作在同一塊硅片上，

在它們的交界面就形成PN結。

PN結的形成過程：如圖所示，將P型半導體與N型半導體製作在同一塊硅片上，在無外電場和其它激發作用下，參與擴散運動的多子數目等於參與漂移運動的少子數目，從而達到動態平衡，形成PN結。

擴散運動：物質總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由於濃度差而產生的運動稱為擴散運動。

空間電荷區：擴散到P區的自由電子與空穴複合，而擴散到N區的空穴與自由電子複合，所以在交界面附近多子的濃度下降，P區出現負離子區，N區出現正離子區，它們是不能移動，稱為空間電荷區。

電場形成：空間電荷區形成內電場。

空間電荷加寬，內電場增強，其方向由N區指向P區，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。

電位差：空間電荷區具有一定的寬度，形成電位差Uho，電流為零。

耗盡層：絕大部分空間電荷區內自由電子和空穴的數目都非常少，在分析PN結時常忽略載流子的作用，而只考慮離子區的電荷，稱耗盡層。

PN結的特點：具有單向導電性。