半导体

介于导体与绝缘体之间的材料

半导体

半导体（semiconductor）是室温下导电能力处于导体和绝缘体之间的一种物质。[4]其导电能力与其内部的载流子数量相关，主要有电子和空穴两类。[5]纯净的半导体，由于其能带结构与绝缘体相近，能够激发的载流子数量很有限，因此几乎不导电。[2][6]通常在半导体中掺入杂质，可以引入额外的电子或空穴，实现对半导体电导率的有效调控。[2]半导体最早的发现可以追溯到19世纪法拉第对于硫化银的研究。[7]此后，人们相继发现种类更加丰富的半导体。常见如硒、锗、硅等元素类半导体以及氧化铜、硫化铜、砷化镓等化合物类半导体。[8][9]

半导体（semiconductor）是室温下导电能力处于导体和绝缘体之间的一种物质。[5]其导电能力与其内部的载流子数量相关，主要有电子和空穴两类。[6]纯净的半导体，由于其能带结构与绝缘体相近，能够激发的载流子数量很有限，因此几乎不导电。[3][7]通常在半导体中掺入杂质，可以引入额外的电子或空穴，实现对半导体电导率的有效调控。[3]

半导体最早的发现可以追溯到19世纪法拉第对于硫化银的研究。[8]此后，人们相继发现种类更加丰富的半导体。常见如硒xī、锗、硅等元素类半导体以及氧化铜、硫化铜、砷化镓等化合物类半导体。[9][10]

另外还可以依据掺入杂质的类型分为n型半导体和p型半导体。[3]此外还可以依据晶态组成分为非晶半导体、固溶半导体等。[11]

由于半导体对外部环境（例如热、光、电、磁等）的改变是很灵敏的[1]，因此具有非常丰富的特性，如光生伏特、光电导等光电特性[8][12]，和塞贝克效应、珀尔贴效应等热电特性[6][3]，以及磁阻效应[13]、霍尔效应[14]等等[6]。基于半导体可以制造集成电路所需的各种器件，可以说半导体是现代集成电路的基础。[1]另外，半导体还可以用于光伏发电[1]、激光[2]、制冷[3]、传感测量[15]、机械加工[16]等诸多领域。[4]

发展历史

1833-1837年期间，英国法拉第(Faraday)首次在高温下观察到，硫化银的电阻会随着温度的升高而下降，即负的电阻温度系数。这是人们第一次认识到具有特殊效应的半导体。[8][17]

法拉第(Faraday)
法拉第(Faraday)

1873年，英国人史密斯利用硒晶体材料做实验，发现它在光照下电导会增大，即半导体的光电导效应。[8]之后的1874年，德国人布劳恩(Braun)发现，一些硫化物的导电率与所施加的电场方向相关，即半导体的整流特性。[8]不久，亚当斯(Adams)和戴(Day)证实了硒的光生伏打效应。[17]1879年，霍尔(Hall)发现半导体也存在流动电荷载流子通过外加磁场发生偏转的现象——霍尔效应，并且半导体的霍尔效应比金属强得多。[18][12]

但那是一直都还没有半导体这一概念，直到1911年，考尼白格和维斯在第一次提出“半导体”这一名词。[8]随着1925~1926 年量子力学体系的基本建立，1931年英国人威尔逊(Wilson)提出半导体的能带模型，可以很好地解释半导体诸多性质，极大地推动了半导体的发展。[17]

1947年，贝尔实验室对半导体的特性进行了归纳。[8]不久之后地1949年，贝尔实验室的肖克莱(Shocklay)等人发表《半导体PN结和PN结晶体管的理论》[17]，半导体晶体管的诞生开启了高科技领域未来的革命，极大地激发了人们对半导体技术研究的热情。[19]20世纪60年代，硅平面工艺的出现，使半导体技术从分立器件进入了集成电路的时代，从此半导体微电子技术得到了惊人的发展，由半导体技术形成的产业也成为世界经济的重要支柱。[17][19]

肖克莱
肖克莱

载流子

半导体主要依赖于内部的载流子进行导电，其载流子主要有电子和空穴两类，它们通过热激发或者光激发产生。[6]在半导体中掺入一定杂质将改变载流子的激发特性，所以载流子的数量依赖于温度、外界光照以及掺入的杂质等。[3]

本征半导体

纯净的半导体，也被称为本征半导体，由于含有的载流子数量较少，通常为了提高其导电率，会掺入其他元素。根据掺入杂质的不同，可以分为N型半导体和P型半导体。N型半导体是指掺入的元素使得其内部电子数量远多于空穴数量，P型半导体是指指掺入的元素使得其内部空穴数量远多于电子数量。[3]

PN结

通过扩散和光刻等工艺，使N型半导体和P型半导体结合在一起，形成具有单向导电特性的结构称为PN结。PN结又可以分为同质结和异质结。[20]

能带结构

半导体的导电性质和其能带结构密切相关。[3]能带是指材料中电子由于共有化运动，导致原来简并的电子能级分裂，形成许多能量间隔非常小的能级，可以认为是连续的带。[21][22]典型的半导体能带结构如下图所示，它包括由价电子所占据的价带、未被电子占据或者被电子部分占据的导带、不允许电子存在的禁带。绝对零度下，价带中所有能级被电子占据，又称满带；导电中所有能级未被电子占据，又称空带。[7]

典型半导体、绝缘体、导体的能带模型
典型半导体、绝缘体、导体的能带模型

禁带宽度常用表示，它是决定半导体性质的一个很重要的参量。[3]因为满带和空带都不能导电，只能半满的能带结构才可以导电。对一般的半导体材料，由于其禁带宽度不太大，通过热激发、光照或电场的作用，价带电子可以越过禁带被激发到导电。而绝缘体之所以不到电，从能带的角度，就是因为其禁带宽度太大。[7]

掺杂

半导体的掺杂特性是指向半导体中引入少量杂质原子，从而改变其电性质。[3]

掺杂可以分为两种类型：n型掺杂和p型掺杂。在n型掺杂中，杂质原子通常是五价元素，如磷、砷shēn等，它们被称为施主杂质。施主杂质的掺入，会向半导体中释放一个额外的电子；p型掺杂中，杂质原子通常是三价元素，如铝、硼等，它们被称为受主杂质。受主杂质的掺入，会形成一个空穴，从而增加了半导体的导电性能。[23]

掺杂的特性还包括掺杂浓度和杂质原子的分布。掺杂浓度是指杂质原子在半导体中的数量，它决定了半导体的电导率。杂质原子的分布则决定了半导体的电子和空穴浓度分布，也会影响半导体的电性能。[6]

电导率

半导体在绝对零度下不导电，室温下半导体的电阻率在，介于导体和绝缘体之间，其导电性能强烈依赖杂质、温度等因素。[24][25]由于其导电粒子是空穴和电子，通常可以如下公式计算半导体的电导率：。其中分别为电子与空穴的浓度，分别为电子和空穴的迁移率。[25]

发光特性

半导体的发光特性由电子-空穴对的复合过程决定，复合包括辐射复合和非辐射复合。只有辐射复合才能使半导体发光，非辐射复合并不会发光，而是将载流子复合的能量传递给晶格，使晶体发热。[6][26]主要的辐射复合过程包括：①—带间跃迁，是直接带隙半导体发光的主要机理；②—电子-空穴对通过发光中心的复合，为间接带隙半导体发光的主要机理。[26]

电子-空穴对的主要复合过程
电子-空穴对的主要复合过程

热电特性

半导体存在可以将热能和电能相互转化的特性，又称为热电特性或者热电效应。包括塞贝克效应(Seebeck effect)、珀耳帖效应(Peltier effect)、汤姆逊效应(Thomson effect)。[6]

塞贝克效应是指当两个不同温度的导体或半导体连接在一起时，会发生电势差，这个电势差被称为塞贝克电势。[6]半导体的塞贝克效应可以用于温差发电。[3]

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半导体的热电特性

珀耳帖效应两不同导体连接后通以电流，在接头处会产生吸热或放热现象。吸收或放出的热量称为珀耳帖热量。[6]基于珀耳帖效应可以制造半导体电子致冷器件。[3]

汤姆逊效应是指当电流通过有温度梯度的半导体时，半导体中除产生和电阻有关的焦耳热之外，还要吸收或放出额外一部分热量。[3]

其他特性

导热特性：半导体的热传导由电子的运动和晶格振动(声子)一起贡献，因此具有热导率不高(相比金属)、强烈的温度依赖性、对掺入的杂质非常敏感等特点。[6][27]

材料SiGeGaPGaAsInAsCGaSbInSbInPGaN
热导率1.30.581.10.550.276-200.320.180.681.3

霍尔效应：半导体的霍尔效应是把通电的半导体放入与电流方向垂直的磁场中时，在半导体中会出现横向电场的现象。[13]利用半导体的霍尔效应可以测量载流子的迁移率和浓度。[6]

磁阻特性：由于磁场的存在，半导体的电阻增大，这个现象称为磁阻效应。[6]通常，迁移率高的材料磁阻效应明显。[14]利用这一特性可以制作半导体磁敏电阻。[6]

压阻效应：当半导体承受一定压力时，会造成半导体的电阻率发生改变，这种现象称为压阻效应。[6]利用这一效应可以制备半导体应变计、压敏二极管、压敏晶体管等电子元器件。[29]

依据材料[29][30]

分类举例特点及应用元素类碳(C)、硅(Si)、硒(Se)、碲dì(Ti)、锗(Ge)等原料丰富，常用于制造集成电路和太阳能电池[9]化合物类氧化物半导体氧化亚铜()、氧化铜()、氧化锌()、氧化钡bèi()、氧化镍niè()等化学性质对温度和气氛敏感，适合用作气敏半导体器件[10]II-VI族化合物半导体硫化铜()、硫化银()、硒化镉(CdSe)等具有宽的能带隙和高的折射率，适用于制造光电器件[9]III-V族化合物半导体砷化镓()、磷化铟yīn()、砷化铟()等这些材料的电子迁移率和饱和漂移速度较高，适用于高速、高频电路的制造[9]

依据导电机构的不同[29][30]

分类导电机构举例理想半导体这类物质的导电不需要外加杂质，只凭借自身的电子就可以实现纯度非常高的半导体在高温下都属于此类，如Si、Ge、SiC杂质半导体电子型(n型)半导体在纯净的半导体中掺入施主杂质，主要依赖杂质电离后的电子导电掺B、Al、Ga、In的硅或锗空穴型(p型)半导体在纯净的半导体中掺入受主杂质，主要依赖杂质电离后的空穴导电掺P、As、Sb的硅或锗

理想半导体也成为本征半导体，在常温下提供的导电载流子很有限，通常用作杂质半导体的基础材料。[32]

杂质半导体是在本征半导体的基础上，通过掺入杂质来提高载流子的浓度，其中又分为电子型半导体和空穴型半导体，利用杂质半导体可以制备pn结和晶体管，它们是各种电子元件、光电器件、太阳能电池的基础。[32][6]

非晶半导体

又称无定形半导体或玻璃半导体。它们是非晶态固体中具有半导电性的一类材料。具有亚稳态结构，组成原子的排列是短程有序、长程无序，键合力未发生变化，只是键长和键角略有不同。包括四面体的 Si、ZnSn等；交链网络的 Ge-Sb-Se、GeAs-Se等以及离子键氧化物玻璃等。常用于用于制造太阳能电池、薄膜晶体管、复印鼓光电传感器等。[33]

固溶半导体

由两个或两个以上的元素所构成的具有半导体性质的固溶体，又称为混晶半导体。最大特点是禁带宽度、能隙性质、晶格常数及电学、光学特性随成分而改变，有可调节性。常见有、。主要应用于激光器、探测器、光电子集成电路、光电阴极，高迁移率晶体管及超晶格、量子阱、超薄层微结构材料等。[33][11]

新型半导体

它们是一类基于纳米线、量子点、二维材料和拓扑绝缘体材料设计的半导体，它们可以作为光学增益、光伏、电光或磁光介质，为光子异质集成创造了新的机会。[34]

集成电路

半导体可以说是现代集成电路的基础，基于半导体可以制造集成电路所需的各种器件、如二极管、晶体管、场效应晶体管，用于电路的开关、电流电压增益、信号功率增益等。[1]

用于制造集成电路的半导体
用于制造集成电路的半导体

光伏发电

光伏发电的核心在于利用半导体制造的太阳能电池，而太阳能电池本质而言是一块面积比较大的pn结，利用pn结的内建电场将太阳光激发产生的电子空穴对分离，实现光能到电能的转换。[1]

激光

半导体激光器（LD）是利用半导体作为激励媒质的一种激光器。不仅效率高，体积小，质量轻；而且还具有高的稳定性和可以直接进行调制的优点，能够很好地与其它的半导体设备进行整合。目前在网络通信，光盘存储，精密测量和物料处理中得到了日益普遍的使用；对许多行业（如医药、军工等）的发展产生深远的影响。[2][4]

制冷

半导体制冷系统是利用半导体的珀尔贴效应，在其两端形成温差而实现制冷的。[35]珀尔贴效应的产生是由于在两种不同的导体中载流子能量的不同。当把一个具有更高的平均能量的电荷转移到一个平均能量较低的导体上，会放出额外的热量；反之，则从系统外吸收热量。在半导体器件中，由于载流子是由平均能差异较大的电子和空穴组成，其珀尔贴效应更为显著。半导体就是根据这一原理实现制冷的。[36]

其他领域

传感测量：基于半导体特性，可以设计制作各种物理量的测量，包括温度、磁场强度、压力、电阻等，并且具有灵敏度高、占用体积小、成本低等诸多优点。[15]

机械加工：以电火花加工和电解加工为代表的机械加工，使用传统技术通常会由于电源脉冲宽导致加工精度低，生产效率有限。使用半导体器件组成工作电源和自动控制线路，不仅可以实现更加精度的机械加工，而且调节的范围也非常灵活。[16]

探伤：利用可控硅组成超声波电源可以用于各种机械探伤技术，如射线探伤、涡流探伤、超声波探伤等。[16]

发展趋势

新材料的研发：包括以碳化硅、氮化镓、氧化锌等为代表的宽禁带化合物半导体材料；[37]以金刚石、氧化镓为代表的超宽禁带半导体材料；[38]以石墨烯、二硫化钼、六方氮化硼等为代表的二维材料。[39]通过这些新材料推动半导体器件向着高电子饱和速率、高击穿电场、较高热导率、耐腐蚀以及抗辐射等方向发展。[37]

新型结构和器件设计：基于量子阱、量子线、量子点结构的半导体材料的设计，将推动能带工程用于生产实践，实现高性能的电子、光电子器件。[40][41]

新工艺的应用：以分子束外延和金属有机化合物化学汽相外延技术的发展，将延长硅作为主导半导体材料的使用寿命、扩展其应用领域。[40]

参考资料 41

  1. 参考 1
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  3. 参考 3
  4. 参考 4
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