?半導體定義

我們通(tong)常把導電性差的材料(liao)，如煤、人工晶體(ti)、琥珀(po)、陶瓷等稱為絕(jue)緣體(ti)（insulator）。

把(ba)導(dao)電性(xing)比(bi)較好的金(jin)屬如金(jin)、銀、銅、鐵、錫(xi)、鋁等(deng)稱為(wei)導(dao)體（conductor）。

常溫(wen)下導電性能介(jie)于導體與絕緣體之間的(de)材料稱為半導體（semiconductor）。

與(yu)導體和絕緣(yuan)體相比，半(ban)導體材(cai)料的(de)發現是較(jiao)晚的(de)，直(zhi)到20世紀30年代(dai)，當材(cai)料的(de)提純技術改進以(yi)后，半(ban)導體的(de)存(cun)在(zai)才真正被學(xue)術界認可(ke)。

發展歷史

1833年(nian)，英國科學(xue)家電(dian)子學(xue)之(zhi)父法拉第最(zui)先(xian)發(fa)現(xian)硫化銀的(de)(de)(de)電(dian)阻隨著溫度的(de)(de)(de)變(bian)化情況不同于一般金屬(shu)，一般情況下，金屬(shu)的(de)(de)(de)電(dian)阻隨溫度升(sheng)高(gao)而增加，但巴拉迪發(fa)現(xian)硫化銀材(cai)料的(de)(de)(de)電(dian)阻是(shi)隨著溫度的(de)(de)(de)上升(sheng)而降低。這是(shi)半導(dao)體現(xian)象的(de)(de)(de)首次發(fa)現(xian)。

1839年(nian)法國的(de)貝克(ke)萊爾發現(xian)半導體和電(dian)解質接觸(chu)形成(cheng)的(de)結，在光(guang)照下會產生(sheng)一個電(dian)壓，這(zhe)就(jiu)是(shi)(shi)后來(lai)人們熟知的(de)光(guang)生(sheng)伏特效應(ying)，這(zhe)是(shi)(shi)被發現(xian)的(de)半導體的(de)第二個特征。

1873年(nian)，英國的(de)史密斯發(fa)現(xian)硒晶體(ti)材料在光照下電導(dao)(dao)增加的(de)光電導(dao)(dao)效應(ying)，這(zhe)是半(ban)導(dao)(dao)體(ti)又一個(ge)(ge)特有(you)的(de)性質。半(ban)導(dao)(dao)體(ti)的(de)這(zhe)四個(ge)(ge)效應(ying)，(jianxia霍爾效應(ying)的(de)余績(ji)──四個(ge)(ge)伴生(sheng)效應(ying)的(de)發(fa)現(xian))雖在1880年(nian)以前就(jiu)先(xian)后被(bei)(bei)發(fa)現(xian)了(le)，但半(ban)導(dao)(dao)體(ti)這(zhe)個(ge)(ge)名詞大概到1911年(nian)才被(bei)(bei)考尼白格和(he)維斯首(shou)次使用。而總結出半(ban)導(dao)(dao)體(ti)的(de)這(zhe)四個(ge)(ge)特性一直到1947年(nian)12月(yue)才由(you)貝爾實驗室完成。

在1874年(nian)(nian)，德國的(de)布(bu)勞恩觀察(cha)到某些硫化物的(de)電(dian)(dian)(dian)導(dao)(dao)與所(suo)加(jia)電(dian)(dian)(dian)場的(de)方向有關，即(ji)它(ta)(ta)的(de)導(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)有方向性(xing)，在它(ta)(ta)兩(liang)端加(jia)一個正(zheng)向電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，它(ta)(ta)是導(dao)(dao)通(tong)的(de)；如果(guo)把(ba)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)極(ji)性(xing)反過來，它(ta)(ta)就(jiu)不導(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)，這就(jiu)是半(ban)(ban)導(dao)(dao)體的(de)整(zheng)效(xiao)(xiao)應(ying)，也是半(ban)(ban)導(dao)(dao)體所(suo)特有的(de)第(di)三種特性(xing)。同(tong)年(nian)(nian)，舒斯特又發現(xian)了銅與氧(yang)化銅的(de)整(zheng)流效(xiao)(xiao)應(ying)。

很(hen)多(duo)人(ren)會疑問，為(wei)什么(me)半導(dao)體被(bei)認可需要(yao)這(zhe)么(me)多(duo)年(nian)呢？主要(yao)原因是(shi)當時的材料(liao)不純。沒有好的材料(liao)，很(hen)多(duo)與材料(liao)相(xiang)關的問題就難(nan)以說清楚。

半導體分類

按化(hua)學成分可分為元素半導(dao)體(ti)和化(hua)合物半導(dao)體(ti)兩大類。

鍺和(he)硅是常用的(de)元素半導體(ti)；化(hua)合(he)(he)物(wu)(wu)半導體(ti)包括(kuo)第(di)Ⅲ和(he)第(di)Ⅴ族(zu)(zu)化(hua)合(he)(he)物(wu)(wu)（砷化(hua)鎵、磷(lin)化(hua)鎵等(deng)）、第(di)Ⅱ和(he)第(di)Ⅵ族(zu)(zu)化(hua)合(he)(he)物(wu)(wu)（硫(liu)化(hua)鎘、硫(liu)化(hua)鋅等(deng)）、氧化(hua)物(wu)(wu)（錳(meng)、鉻、鐵、銅(tong)的(de)氧化(hua)物(wu)(wu)）,以及(ji)由Ⅲ-Ⅴ族(zu)(zu)化(hua)合(he)(he)物(wu)(wu)和(he)Ⅱ-Ⅵ族(zu)(zu)化(hua)合(he)(he)物(wu)(wu)組成的(de)固溶(rong)體(ti)（鎵鋁砷、鎵砷磷(lin)等(deng)）。

按照其制造技術，半導體的分類(lei)可分為：集成電路器件，分立器件、光電半導體、邏(luo)輯(ji)IC、模擬IC、儲存器等大(da)類(lei)，一般(ban)來說這些還會被分成小類(lei)。

半導體的特點

半導體五大(da)特(te)性(xing)(xing)∶摻(chan)雜性(xing)(xing)，熱敏性(xing)(xing)，光敏性(xing)(xing)，負(fu)電阻率溫度特(te)性(xing)(xing)，整(zheng)流特(te)性(xing)(xing)。

在(zai)形成晶(jing)體結構的(de)(de)(de)半(ban)導(dao)體中，人為地摻入特定的(de)(de)(de)雜質元素，導(dao)電性能具有(you)可控性。在(zai)光照和熱(re)輻射(she)條件下，其導(dao)電性有(you)明顯的(de)(de)(de)變(bian)化。

半導體工作原理

本(ben)征半(ban)導體(ti)：不含雜質(zhi)且(qie)無晶格缺(que)陷的(de)半(ban)導體(ti)稱(cheng)為本(ben)征半(ban)導體(ti)。在極低溫度下，半(ban)導體(ti)的(de)價帶是(shi)滿帶，受到熱激發后，價帶中(zhong)的(de)部分電子(zi)會(hui)越過(guo)禁帶進入能(neng)量較高的(de)空(kong)(kong)帶，空(kong)(kong)帶中(zhong)存在電子(zi)后成為導帶，價帶中(zhong)缺(que)少一(yi)個電子(zi)后形(xing)成一(yi)個帶正電的(de)空(kong)(kong)位，稱(cheng)為空(kong)(kong)穴。

空(kong)穴(xue)(xue)導(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)并不是實際運動，而是一種等效。電(dian)(dian)(dian)(dian)子導(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)時等電(dian)(dian)(dian)(dian)量(liang)的空(kong)穴(xue)(xue)會沿其反方向運動。它們(men)在外電(dian)(dian)(dian)(dian)場(chang)作用下(xia)產生定(ding)向運動而形成宏觀(guan)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)，分別稱為電(dian)(dian)(dian)(dian)子導(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)和空(kong)穴(xue)(xue)導(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)。

這(zhe)種由于(yu)電(dian)(dian)(dian)子(zi)-空(kong)(kong)穴(xue)對的(de)產生而形成的(de)混合(he)(he)型導電(dian)(dian)(dian)稱為本征導電(dian)(dian)(dian)。導帶中的(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)會落(luo)入空(kong)(kong)穴(xue)，電(dian)(dian)(dian)子(zi)-空(kong)(kong)穴(xue)對消失，稱為復(fu)合(he)(he)。復(fu)合(he)(he)時(shi)釋放出的(de)能量變成電(dian)(dian)(dian)磁輻射（發光）或(huo)晶(jing)格的(de)熱振動能量（發熱）。在(zai)一(yi)定(ding)溫(wen)度下，電(dian)(dian)(dian)子(zi)-空(kong)(kong)穴(xue)對的(de)產生和復(fu)合(he)(he)同時(shi)存在(zai)并達(da)到動態平(ping)衡(heng)，此時(shi)半(ban)(ban)導體(ti)具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的(de)載流子(zi)密(mi)度，從而具(ju)有(you)一(yi)定(ding)的(de)電(dian)(dian)(dian)阻率(lv)。溫(wen)度升高時(shi)，將產生更多的(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)-空(kong)(kong)穴(xue)對，載流子(zi)密(mi)度增加，電(dian)(dian)(dian)阻率(lv)減小。無晶(jing)格缺陷(xian)的(de)純凈半(ban)(ban)導體(ti)的(de)電(dian)(dian)(dian)阻率(lv)較大，實際應用(yong)不多。

摻雜半導體

半導體之(zhi)所以(yi)能(neng)廣泛(fan)應用(yong)在今日的數位(wei)世界(jie)中(zhong)(zhong)，憑(ping)借的就是其(qi)能(neng)借由(you)在其(qi)晶格(ge)中(zhong)(zhong)植入雜質改變其(qi)電(dian)性，這(zhe)個過程稱之(zhi)為(wei)摻雜（doping）。

半(ban)導體中(zhong)(zhong)的(de)雜(za)(za)(za)(za)質(zhi)對電(dian)(dian)阻率(lv)的(de)影響(xiang)非常大。半(ban)導體中(zhong)(zhong)摻(chan)入微(wei)量雜(za)(za)(za)(za)質(zhi)時，雜(za)(za)(za)(za)質(zhi)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)附(fu)近的(de)周期勢(shi)場受到干擾(rao)并形(xing)成(cheng)附(fu)加的(de)束縛(fu)狀態，在禁帶(dai)(dai)中(zhong)(zhong)產生附(fu)加的(de)雜(za)(za)(za)(za)質(zhi)能(neng)(neng)級(ji)。例如(ru)四價(jia)元(yuan)素鍺或硅(gui)晶(jing)體中(zhong)(zhong)摻(chan)入五(wu)(wu)價(jia)元(yuan)素磷(lin)、砷(shen)、銻等(deng)雜(za)(za)(za)(za)質(zhi)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)時，雜(za)(za)(za)(za)質(zhi)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)作為(wei)晶(jing)格的(de)一(yi)分子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，其(qi)五(wu)(wu)個價(jia)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)中(zhong)(zhong)有四個與周圍的(de)鍺（或硅(gui)）原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)形(xing)成(cheng)共(gong)價(jia)結合，多余的(de)一(yi)個電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)被束縛(fu)于(yu)雜(za)(za)(za)(za)質(zhi)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)附(fu)近，產生類氫能(neng)(neng)級(ji)。雜(za)(za)(za)(za)質(zhi)能(neng)(neng)級(ji)位(wei)于(yu)禁帶(dai)(dai)上(shang)方靠近導帶(dai)(dai)底附(fu)近。雜(za)(za)(za)(za)質(zhi)能(neng)(neng)級(ji)上(shang)的(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)很易激發到導帶(dai)(dai)成(cheng)為(wei)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)載流(liu)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。這(zhe)種能(neng)(neng)提供電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)載流(liu)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)雜(za)(za)(za)(za)質(zhi)稱(cheng)為(wei)施(shi)(shi)主，相(xiang)應能(neng)(neng)級(ji)稱(cheng)為(wei)施(shi)(shi)主能(neng)(neng)級(ji)。

摻雜(za)進入本質半(ban)(ban)導(dao)體(ti)（intrinsicsemiconductor）的(de)(de)雜(za)質濃度與極(ji)性皆會對半(ban)(ban)導(dao)體(ti)的(de)(de)導(dao)電(dian)特性產(chan)生很大的(de)(de)影響。而摻雜(za)過的(de)(de)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)則稱為外質半(ban)(ban)導(dao)體(ti)（extrinsicsemiconductor）。

雜質(zhi)半導體(ti)(ti)：通過擴散工藝，在本征半導體(ti)(ti)中(zhong)摻入少(shao)量合適的(de)雜質(zhi)元(yuan)素，可得(de)到雜質(zhi)半導體(ti)(ti)。

P型(xing)(xing)半(ban)導體：在純凈的硅晶(jing)體中摻入三價(jia)元素（如硼），使之(zhi)取代(dai)晶(jing)格中硅原子的位置，就形成了P型(xing)(xing)半(ban)導體。

多數(shu)載流(liu)子：P型(xing)半導體(ti)中，空穴(xue)的濃(nong)(nong)度(du)大于自由電子的濃(nong)(nong)度(du)，稱為(wei)多數(shu)載流(liu)子，簡(jian)稱多子。

少(shao)數載流子(zi)(zi)(zi)：P型半導體中，自由電(dian)子(zi)(zi)(zi)為少(shao)數載流子(zi)(zi)(zi)，簡稱少(shao)子(zi)(zi)(zi)。

受主原(yuan)(yuan)子(zi)：雜質原(yuan)(yuan)子(zi)中的空(kong)位(wei)吸收(shou)電(dian)子(zi)，稱受主原(yuan)(yuan)子(zi)。

P型(xing)半導體的(de)導電特性：它(ta)是靠空(kong)(kong)穴(xue)導電，摻入的(de)雜質越(yue)多，多子（空(kong)(kong)穴(xue)）的(de)濃度(du)就(jiu)越(yue)高，導電性能(neng)也就(jiu)越(yue)強。

N型半(ban)導(dao)體(ti)：在純凈的硅(gui)晶(jing)體(ti)中摻入五(wu)價元素（如磷），使之取代晶(jing)格中硅(gui)原子的位置形成N型半(ban)導(dao)體(ti)。

多子：N型半(ban)導體中，多子為自(zi)由(you)電子。

少子(zi)：N型(xing)半導體(ti)中，少子(zi)為空穴(xue)。

施(shi)主(zhu)原(yuan)子：雜質(zhi)原(yuan)子可以提供電子，稱施(shi)主(zhu)原(yuan)子。

N型半導體的(de)(de)導電特性：摻入(ru)的(de)(de)雜(za)質越多(duo)，多(duo)子（自由電子）的(de)(de)濃度就越高，導電性能也就越強。

半導體摻雜物

摻(chan)雜(za)(za)物(wu)依(yi)照(zhao)其帶給被(bei)(bei)摻(chan)雜(za)(za)材料的電(dian)(dian)荷正(zheng)負被(bei)(bei)區分為(wei)施(shi)主(zhu)(zhu)（donor）與受主(zhu)(zhu)（acceptor）。施(shi)主(zhu)(zhu)原(yuan)子(zi)(zi)帶來(lai)的價(jia)(jia)電(dian)(dian)子(zi)(zi)（valence electrons）大多會(hui)與被(bei)(bei)摻(chan)雜(za)(za)的材料原(yuan)子(zi)(zi)產生(sheng)共(gong)價(jia)(jia)鍵(jian)，進而被(bei)(bei)束縛(fu)。而沒(mei)有和被(bei)(bei)摻(chan)雜(za)(za)材料原(yuan)子(zi)(zi)產生(sheng)共(gong)價(jia)(jia)鍵(jian)的電(dian)(dian)子(zi)(zi)則會(hui)被(bei)(bei)施(shi)主(zhu)(zhu)原(yuan)子(zi)(zi)微弱地束縛(fu)住，這(zhe)個電(dian)(dian)子(zi)(zi)又稱為(wei)施(shi)主(zhu)(zhu)電(dian)(dian)子(zi)(zi)。

和本質半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)的價(jia)電子(zi)(zi)比起來，施(shi)(shi)主(zhu)電子(zi)(zi)躍遷至傳導(dao)(dao)(dao)帶所需的能(neng)量(liang)較(jiao)低，比較(jiao)容易在半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)材料(liao)的晶(jing)格中移(yi)動，產生電流。雖然施(shi)(shi)主(zhu)電子(zi)(zi)獲得能(neng)量(liang)會躍遷至傳導(dao)(dao)(dao)帶，但并(bing)不會和本質半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)一樣(yang)留下一個電洞(dong)，施(shi)(shi)主(zhu)原(yuan)子(zi)(zi)在失去(qu)了電子(zi)(zi)后只會固定在半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)材料(liao)的晶(jing)格中。因(yin)此這種(zhong)因(yin)為摻雜(za)而獲得多余(yu)電子(zi)(zi)提供傳導(dao)(dao)(dao)的半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)稱(cheng)為n型半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)（n-type semiconductor），n代表帶負電荷(he)的電子(zi)(zi)。

和(he)施主相對的，受(shou)主原子進入半(ban)導(dao)體(ti)晶格后(hou)，因為其價電子數目(mu)比半(ban)導(dao)體(ti)原子的價電子數量少，等效上會帶來(lai)一(yi)個的空(kong)位，這個多出的空(kong)位即可(ke)視為電洞。受(shou)主摻(chan)雜后(hou)的半(ban)導(dao)體(ti)稱(cheng)為p型(xing)半(ban)導(dao)體(ti)（p-type semiconductor），p代表帶正電荷(he)的電洞。

以一個硅(gui)的(de)(de)(de)本(ben)質(zhi)半(ban)(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體來說(shuo)明摻(chan)雜(za)(za)的(de)(de)(de)影響。硅(gui)有四個價(jia)電子，常用于硅(gui)的(de)(de)(de)摻(chan)雜(za)(za)物有三(san)價(jia)與五價(jia)的(de)(de)(de)元(yuan)素。當只(zhi)有三(san)個價(jia)電子的(de)(de)(de)三(san)價(jia)元(yuan)素如(ru)硼(peng)（boron）摻(chan)雜(za)(za)至硅(gui)半(ban)(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體中時(shi)，硼(peng)扮演的(de)(de)(de)即是受主(zhu)的(de)(de)(de)角色(se)，摻(chan)雜(za)(za)了硼(peng)的(de)(de)(de)硅(gui)半(ban)(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體就(jiu)是p型半(ban)(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體。反(fan)過來說(shuo)，如(ru)果五價(jia)元(yuan)素如(ru)磷(lin)（phosphorus）摻(chan)雜(za)(za)至硅(gui)半(ban)(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體時(shi)，磷(lin)扮演施主(zhu)的(de)(de)(de)角色(se)，摻(chan)雜(za)(za)磷(lin)的(de)(de)(de)硅(gui)半(ban)(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體成為(wei)n型半(ban)(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體。

一個半(ban)(ban)導(dao)體材料有可能先后(hou)摻雜(za)施主(zhu)與受主(zhu)，而(er)(er)如何(he)決定此外質(zhi)半(ban)(ban)導(dao)體為(wei)(wei)n型或(huo)p型必須(xu)視摻雜(za)后(hou)的(de)半(ban)(ban)導(dao)體中(zhong)，受主(zhu)帶(dai)來(lai)的(de)電洞濃度(du)較高或(huo)是施主(zhu)帶(dai)來(lai)的(de)電子(zi)濃度(du)較高，亦(yi)即何(he)者為(wei)(wei)此外質(zhi)半(ban)(ban)導(dao)體的(de)“多(duo)數載(zai)(zai)子(zi)”（majoritycarrier）。和(he)多(duo)數載(zai)(zai)子(zi)相對的(de)是少數載(zai)(zai)子(zi)（minoritycarrier）。對于半(ban)(ban)導(dao)體元件(jian)的(de)操作原理分析而(er)(er)言，少數載(zai)(zai)子(zi)在(zai)半(ban)(ban)導(dao)體中(zhong)的(de)行為(wei)(wei)有著非常重要的(de)地位(wei)。

摻雜對結構的影響

摻(chan)(chan)雜(za)之(zhi)后的(de)(de)(de)(de)半(ban)導體能(neng)帶會(hui)(hui)有(you)所改變(bian)。依照摻(chan)(chan)雜(za)物的(de)(de)(de)(de)不同(tong)，本質半(ban)導體的(de)(de)(de)(de)能(neng)隙之(zhi)間(jian)會(hui)(hui)出現不同(tong)的(de)(de)(de)(de)能(neng)階(jie)。施主原(yuan)子(zi)(zi)會(hui)(hui)在靠近傳導帶的(de)(de)(de)(de)地方(fang)產生一個新的(de)(de)(de)(de)能(neng)階(jie)，而受主原(yuan)子(zi)(zi)則(ze)是在靠近價帶的(de)(de)(de)(de)地方(fang)產生新的(de)(de)(de)(de)能(neng)階(jie)。假設摻(chan)(chan)雜(za)硼原(yuan)子(zi)(zi)進入(ru)硅(gui)，則(ze)因為(wei)硼的(de)(de)(de)(de)能(neng)階(jie)到(dao)硅(gui)的(de)(de)(de)(de)價帶之(zhi)間(jian)僅有(you)0.045電(dian)子(zi)(zi)伏特，遠小于硅(gui)本身(shen)的(de)(de)(de)(de)能(neng)隙1.12電(dian)子(zi)(zi)伏特，所以在室溫下就可以使(shi)摻(chan)(chan)雜(za)到(dao)硅(gui)里的(de)(de)(de)(de)硼原(yuan)子(zi)(zi)完全解離化(hua)（ionize）。

摻(chan)雜物對(dui)于(yu)能(neng)帶(dai)結構的(de)(de)(de)(de)另一(yi)個重大影響是(shi)改變了費米(mi)能(neng)階的(de)(de)(de)(de)位置。在熱平衡的(de)(de)(de)(de)狀態下費米(mi)能(neng)階依然會(hui)保持定值，這個特性會(hui)引出(chu)很多(duo)其他有用的(de)(de)(de)(de)電特性。舉例來說，一(yi)個p-n接(jie)面（p-n junction）的(de)(de)(de)(de)能(neng)帶(dai)會(hui)彎折，起因是(shi)原(yuan)本p型半(ban)(ban)導(dao)體和n型半(ban)(ban)導(dao)體的(de)(de)(de)(de)費米(mi)能(neng)階位置各不相同(tong)，但是(shi)形成p-n接(jie)面后其費米(mi)能(neng)階必須保持在同(tong)樣的(de)(de)(de)(de)高度(du)，造成無(wu)論是(shi)p型或是(shi)n型半(ban)(ban)導(dao)體的(de)(de)(de)(de)傳導(dao)帶(dai)或價帶(dai)都(dou)會(hui)被彎曲以(yi)配合(he)接(jie)面處(chu)的(de)(de)(de)(de)能(neng)帶(dai)差異。

上述的(de)效(xiao)應可以用(yong)能(neng)(neng)帶圖(tu)（banddiagram）來解釋，。在能(neng)(neng)帶圖(tu)里橫(heng)軸(zhou)(zhou)代表位置，縱(zong)軸(zhou)(zhou)則是(shi)能(neng)(neng)量。圖(tu)中也有(you)費米能(neng)(neng)階(jie)，半導體的(de)本質費米能(neng)(neng)階(jie)（intrinsicFermi level）通常(chang)以Ei來表示。在解釋半導體元(yuan)件的(de)行為時，能(neng)(neng)帶圖(tu)是(shi)非常(chang)有(you)用(yong)的(de)工具。

PN結

P型半導(dao)(dao)體與N型半導(dao)(dao)體相互(hu)接觸(chu)時，其交界區域稱(cheng)為PN結(jie)。P區中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)自由(you)(you)(you)空穴(xue)和(he)N區中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)自由(you)(you)(you)電(dian)(dian)子要向(xiang)對方(fang)區域擴(kuo)(kuo)散(san)，造成(cheng)正(zheng)負電(dian)(dian)荷(he)在(zai)PN 結(jie)兩側的(de)(de)(de)積(ji)累(lei)，形成(cheng)電(dian)(dian)偶極(ji)層(ceng)(ceng)(圖(tu)4)。電(dian)(dian)偶極(ji)層(ceng)(ceng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)場方(fang)向(xiang)正(zheng)好阻(zu)止(zhi)擴(kuo)(kuo)散(san)的(de)(de)(de)進行。當由(you)(you)(you)于載流(liu)子數密度不等引起的(de)(de)(de)擴(kuo)(kuo)散(san)作用與電(dian)(dian)偶層(ceng)(ceng)中(zhong)(zhong)電(dian)(dian)場的(de)(de)(de)作用達(da)到平衡時，P區和(he)N區之間形成(cheng)一定的(de)(de)(de)電(dian)(dian)勢差，稱(cheng)為接觸(chu)電(dian)(dian)勢差。由(you)(you)(you)于P 區中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)空穴(xue)向(xiang)N區擴(kuo)(kuo)散(san)后與N區中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子復合(he)(he)，而N區中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子向(xiang)P區擴(kuo)(kuo)散(san)后與P 區中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)空穴(xue)復合(he)(he)，這使電(dian)(dian)偶極(ji)層(ceng)(ceng)中(zhong)(zhong)自由(you)(you)(you)載流(liu)子數減(jian)少而形成(cheng)高阻(zu)層(ceng)(ceng)，故(gu)電(dian)(dian)偶極(ji)層(ceng)(ceng)也叫阻(zu)擋(dang)層(ceng)(ceng)，阻(zu)擋(dang)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)阻(zu)值(zhi)(zhi)往往是組成(cheng)PN結(jie)的(de)(de)(de)半導(dao)(dao)體的(de)(de)(de)原有阻(zu)值(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)幾十倍乃至幾百倍。

PN結(jie)具有單向導(dao)電性，半導(dao)體整(zheng)流(liu)管(guan)就是(shi)利用PN結(jie)的這一特性制成的。

PN結的另(ling)一(yi)重(zhong)要(yao)性質是受到光(guang)(guang)照后能(neng)產生(sheng)電(dian)動勢，稱光(guang)(guang)生(sheng)伏打效應，可利用(yong)來制(zhi)造(zao)光(guang)(guang)電(dian)池(chi)。半(ban)(ban)導體三極管、可控硅、PN結光(guang)(guang)敏器件和發光(guang)(guang)二極管等半(ban)(ban)導體器件均利用(yong)了PN結的特性。

PN結(jie)(jie)(jie)的單向(xiang)導(dao)電(dian)性(xing)：P端(duan)(duan)接電(dian)源的正(zheng)極(ji)(ji)，N端(duan)(duan)接電(dian)源的負極(ji)(ji)稱(cheng)之(zhi)為PN結(jie)(jie)(jie)正(zheng)偏。此時(shi)PN結(jie)(jie)(jie)如同一(yi)個開(kai)關合上(shang)，呈現很小的電(dian)阻，稱(cheng)之(zhi)為導(dao)通狀(zhuang)態。P端(duan)(duan)接電(dian)源的負極(ji)(ji)，N端(duan)(duan)接電(dian)源的正(zheng)極(ji)(ji)稱(cheng)之(zhi)為PN結(jie)(jie)(jie)反偏，此時(shi)PN結(jie)(jie)(jie)處于截(jie)止狀(zhuang)態，如同開(kai)關打開(kai)。結(jie)(jie)(jie)電(dian)阻很大(da)，當反向(xiang)電(dian)壓加大(da)到一(yi)定程(cheng)度(du)，PN結(jie)(jie)(jie)會發生(sheng)擊穿而損(sun)壞(huai)。

半導體材料的制造

為了滿(man)足量產上的需求，半(ban)導體的電性必須是(shi)可預測并且(qie)穩定的，因(yin)此包(bao)括(kuo)摻雜物的純度(du)以及半(ban)導體晶格(ge)結構的品質(zhi)都(dou)必須嚴(yan)格(ge)要求。常(chang)見(jian)的品質(zhi)問(wen)題(ti)包(bao)括(kuo)晶格(ge)的錯(cuo)位（dislocation）、雙(shuang)晶面（twins），或是(shi)堆棧(zhan)錯(cuo)誤(wu)（stacking fault）都(dou)會(hui)影(ying)響半(ban)導體材料(liao)(liao)的特性。對于一(yi)個半(ban)導體元件而言，材料(liao)(liao)晶格(ge)的缺(que)陷通常(chang)是(shi)影(ying)響元件性能的主(zhu)因(yin)。

目前(qian)用(yong)來成(cheng)長高純度單晶(jing)半導體(ti)材料最常見的(de)(de)方(fang)法稱為裘可(ke)(ke)拉斯基制程(cheng)（Czochralski process）。這種制程(cheng)將(jiang)一個單晶(jing)的(de)(de)晶(jing)種（seed）放(fang)入(ru)溶解(jie)的(de)(de)同材質(zhi)液體(ti)中(zhong)，再(zai)以(yi)旋(xuan)(xuan)轉(zhuan)的(de)(de)方(fang)式(shi)緩緩向上拉起。在晶(jing)種被拉起時，溶質(zhi)將(jiang)會沿著固體(ti)和液體(ti)的(de)(de)接口固化，而旋(xuan)(xuan)轉(zhuan)則可(ke)(ke)讓溶質(zhi)的(de)(de)溫度均勻。

半導體的應用

1.最(zui)早的實用半(ban)導(dao)體是電(dian)晶體（Transistor）/二極體（Diode）。在(zai)無線電(dian)收音機（Radio）及電(dian)視機（Television）半(ban)導(dao)體中，作為訊號放大器(qi)/整流器(qi)用。

2.發展太陽能(neng)（Solar Power），也用在光電池（Solar Cell）中。

3.半導體可以用來(lai)測量溫(wen)(wen)度，測溫(wen)(wen)范(fan)圍可以達(da)到(dao)生(sheng)產、生(sheng)活(huo)、醫(yi)療衛生(sheng)、科研(yan)教學等應用的(de)70%的(de)領域，有(you)較高(gao)的(de)準確度和穩(wen)定性(xing)，分辨率(lv)可達(da)0.1℃，甚至達(da)到(dao)0.01℃也不是(shi)不可能，線性(xing)度0.2%，測溫(wen)(wen)范(fan)圍-100~+300℃，是(shi)性(xing)價比極高(gao)的(de)一種測溫(wen)(wen)元件(jian)。

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4.半導體致(zhi)(zhi)冷(leng)器的(de)發展,它也叫(jiao)熱電致(zhi)(zhi)冷(leng)器或(huo)溫差致(zhi)(zhi)冷(leng)器,它采用了帕爾(er)貼效應(ying).

半導體與集成電路的關(guan)系

半導體(ti)是指(zhi)導電(dian)(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)能(neng)介(jie)(jie)于(yu)導體(ti)和絕緣(yuan)(yuan)體(ti)之(zhi)(zhi)間的(de)(de)材(cai)料(liao)(liao)。我(wo)們知道(dao)，電(dian)(dian)(dian)路之(zhi)(zhi)所(suo)以(yi)(yi)具有某種(zhong)(zhong)功能(neng)，主要(yao)(yao)是因(yin)(yin)為其(qi)(qi)(qi)(qi)內部(bu)有電(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)各(ge)種(zhong)(zhong)變化，而之(zhi)(zhi)所(suo)以(yi)(yi)形成電(dian)(dian)(dian)流(liu)，主要(yao)(yao)是因(yin)(yin)為有電(dian)(dian)(dian)子(zi)在金屬線路和電(dian)(dian)(dian)子(zi)元件(jian)之(zhi)(zhi)間流(liu)動（運動/遷移）。所(suo)以(yi)(yi)，電(dian)(dian)(dian)子(zi)在材(cai)料(liao)(liao)中運動的(de)(de)難易(yi)程(cheng)度，決定了其(qi)(qi)(qi)(qi)導電(dian)(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)能(neng)。常見的(de)(de)金屬材(cai)料(liao)(liao)在常溫下電(dian)(dian)(dian)子(zi)就很(hen)(hen)容(rong)易(yi)獲(huo)得(de)能(neng)量發生運動，因(yin)(yin)此其(qi)(qi)(qi)(qi)導電(dian)(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)能(neng)好；絕緣(yuan)(yuan)體(ti)由于(yu)其(qi)(qi)(qi)(qi)材(cai)料(liao)(liao)本身特性(xing)(xing)(xing)，電(dian)(dian)(dian)子(zi)很(hen)(hen)難獲(huo)得(de)導電(dian)(dian)(dian)所(suo)需能(neng)量，其(qi)(qi)(qi)(qi)內部(bu)很(hen)(hen)少電(dian)(dian)(dian)子(zi)可以(yi)(yi)遷移，因(yin)(yin)此幾(ji)乎(hu)不導電(dian)(dian)(dian)。而半導體(ti)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)導電(dian)(dian)(dian)特性(xing)(xing)(xing)則(ze)介(jie)(jie)于(yu)這兩者(zhe)之(zhi)(zhi)間，并且可以(yi)(yi)通過摻(chan)入雜(za)質來改變其(qi)(qi)(qi)(qi)導電(dian)(dian)(dian)性(xing)(xing)(xing)能(neng)，人(ren)為控制它導電(dian)(dian)(dian)或者(zhe)不導電(dian)(dian)(dian)以(yi)(yi)及導電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)容(rong)易(yi)程(cheng)度。這一點稱之(zhi)(zhi)為半導體(ti)的(de)(de)可摻(chan)雜(za)特性(xing)(xing)(xing)。

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前面說過，集(ji)(ji)(ji)成電(dian)(dian)路的基(ji)礎是晶體(ti)(ti)(ti)管，發明(ming)了晶體(ti)(ti)(ti)管才(cai)有(you)可(ke)能創造(zao)出集(ji)(ji)(ji)成電(dian)(dian)路，而晶體(ti)(ti)(ti)管的基(ji)礎則是半(ban)(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)，因此半(ban)(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)也是集(ji)(ji)(ji)成電(dian)(dian)路的基(ji)礎。半(ban)(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)之于(yu)集(ji)(ji)(ji)成電(dian)(dian)路，如同土地(di)(di)(di)之于(yu)城(cheng)市。很明(ming)顯，山(shan)地(di)(di)(di)、丘(qiu)陵(ling)多(duo)者不適(shi)合(he)建(jian)造(zao)城(cheng)市，沙化土壤、石灰巖多(duo)的地(di)(di)(di)方也不適(shi)合(he)建(jian)造(zao)城(cheng)市。“建(jian)造(zao)”城(cheng)市需(xu)(xu)要(yao)選(xuan)一塊好地(di)(di)(di)，“集(ji)(ji)(ji)成”電(dian)(dian)路也需(xu)(xu)要(yao)一塊合(he)適(shi)的基(ji)礎材(cai)料(liao)——就是半(ban)(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)。常見的半(ban)(ban)導(dao)體(ti)(ti)(ti)材(cai)料(liao)有(you)硅、鍺(zang)、砷(shen)化鎵(jia)（化合(he)物），其中(zhong)應用廣的、商用化成功的當推“硅”。

那么半導體(ti)(ti)(ti)，特別是(shi)硅(gui)，為什么適合制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)集(ji)(ji)成(cheng)電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)呢？有多方(fang)面(mian)的(de)(de)原(yuan)因(yin)(yin)。硅(gui)是(shi)地(di)殼中(zhong)(zhong)豐富的(de)(de)元(yuan)素，僅次于氧(yang)。自然(ran)界中(zhong)(zhong)的(de)(de)巖石、砂礫等存在大量硅(gui)酸鹽或二氧(yang)化(hua)(hua)硅(gui)，這是(shi)原(yuan)料成(cheng)本方(fang)面(mian)的(de)(de)原(yuan)因(yin)(yin)。硅(gui)的(de)(de)可摻雜特性容(rong)(rong)易(yi)控(kong)制(zhi)(zhi)，容(rong)(rong)易(yi)制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)出符合要求(qiu)的(de)(de)晶體(ti)(ti)(ti)管，這是(shi)電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)原(yuan)理方(fang)面(mian)的(de)(de)原(yuan)因(yin)(yin)。硅(gui)經過氧(yang)化(hua)(hua)所形成(cheng)的(de)(de)二氧(yang)化(hua)(hua)硅(gui)性能穩定，能夠(gou)作(zuo)為半導體(ti)(ti)(ti)器件中(zhong)(zhong)所需的(de)(de)優良(liang)的(de)(de)絕(jue)緣膜使用，這是(shi)器件結構方(fang)面(mian)的(de)(de)原(yuan)因(yin)(yin)。關鍵的(de)(de)一點還是(shi)在于集(ji)(ji)成(cheng)電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)平面(mian)工(gong)藝，硅(gui)更容(rong)(rong)易(yi)實施(shi)氧(yang)化(hua)(hua)、光刻(ke)、擴散等工(gong)藝，更方(fang)便集(ji)(ji)成(cheng)，其性能更容(rong)(rong)易(yi)得(de)到(dao)控(kong)制(zhi)(zhi)。因(yin)(yin)此后(hou)續主要介紹的(de)(de)也(ye)是(shi)基于硅(gui)的(de)(de)集(ji)(ji)成(cheng)電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)知(zhi)識，對(dui)硅(gui)晶體(ti)(ti)(ti)管和集(ji)(ji)成(cheng)電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)工(gong)藝有了解后(hou)，會(hui)更容(rong)(rong)易(yi)理解這個問題。

除了可(ke)摻雜性(xing)之外(wai)，半(ban)導體(ti)還具有熱敏(min)性(xing)、光敏(min)性(xing)、負電(dian)(dian)(dian)阻率(lv)溫度、可(ke)整流等幾個特(te)性(xing)，因此(ci)半(ban)導體(ti)材料(liao)除了用于制(zhi)造大規模集(ji)成(cheng)電(dian)(dian)(dian)路之外(wai)，還可(ke)以用于功(gong)率(lv)器件、光電(dian)(dian)(dian)器件、壓力傳感器、熱電(dian)(dian)(dian)制(zhi)冷(leng)等用途；利用微電(dian)(dian)(dian)子的超微細加工技術(shu)，還可(ke)以制(zhi)成(cheng)MEMS（微機械(xie)電(dian)(dian)(dian)子系(xi)統），應用在(zai)電(dian)(dian)(dian)子、醫療領(ling)域。

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