?半導體定義

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

把導(dao)電性比較好的(de)金屬如金、銀、銅、鐵(tie)、錫、鋁(lv)等稱為導(dao)體（conductor）。

常溫(wen)下導電性能介于導體與絕(jue)緣體之間的材(cai)料稱(cheng)為(wei)半導體（semiconductor）。

與(yu)導(dao)體和絕緣(yuan)體相比，半導(dao)體材料的發現是(shi)較(jiao)晚的，直(zhi)到20世(shi)紀30年(nian)代，當材料的提純(chun)技術改(gai)進以后，半導(dao)體的存在才(cai)真正(zheng)被(bei)學術界(jie)認可。

發展歷史

1833年(nian)，英國科學(xue)家電子(zi)學(xue)之父法拉第最先發現硫化銀(yin)的(de)(de)電阻(zu)隨著溫度(du)(du)(du)的(de)(de)變化情況(kuang)不(bu)同(tong)于一般(ban)金屬(shu)，一般(ban)情況(kuang)下，金屬(shu)的(de)(de)電阻(zu)隨溫度(du)(du)(du)升高而(er)增加，但巴(ba)拉迪發現硫化銀(yin)材料的(de)(de)電阻(zu)是隨著溫度(du)(du)(du)的(de)(de)上升而(er)降低。這是半(ban)導體現象(xiang)的(de)(de)首次發現。

1839年法國的(de)(de)貝克(ke)萊爾發現(xian)半導(dao)體和電解質接觸形成的(de)(de)結，在(zai)光(guang)照下會產生一個電壓(ya)，這就(jiu)是后來人們(men)熟(shu)知的(de)(de)光(guang)生伏(fu)特效應(ying)，這是被發現(xian)的(de)(de)半導(dao)體的(de)(de)第二個特征(zheng)。

1873年(nian)，英(ying)國的(de)(de)史(shi)密斯發現(xian)(xian)硒(xi)晶(jing)體(ti)(ti)材料在光(guang)(guang)照(zhao)下電(dian)導增加的(de)(de)光(guang)(guang)電(dian)導效(xiao)應，這是半導體(ti)(ti)又一(yi)(yi)個(ge)(ge)特有的(de)(de)性質。半導體(ti)(ti)的(de)(de)這四(si)個(ge)(ge)效(xiao)應，(jianxia霍爾效(xiao)應的(de)(de)余績(ji)──四(si)個(ge)(ge)伴生效(xiao)應的(de)(de)發現(xian)(xian))雖在1880年(nian)以前(qian)就先后被發現(xian)(xian)了，但半導體(ti)(ti)這個(ge)(ge)名詞大概到(dao)(dao)1911年(nian)才被考尼白格(ge)和維(wei)斯首次(ci)使用(yong)。而總(zong)結出半導體(ti)(ti)的(de)(de)這四(si)個(ge)(ge)特性一(yi)(yi)直到(dao)(dao)1947年(nian)12月(yue)才由貝(bei)爾實驗室完成。

在1874年，德國的(de)(de)(de)布勞恩觀(guan)察(cha)到某些硫化(hua)物的(de)(de)(de)電(dian)導(dao)與所加電(dian)場的(de)(de)(de)方向(xiang)有關，即它的(de)(de)(de)導(dao)電(dian)有方向(xiang)性，在它兩端(duan)加一個正向(xiang)電(dian)壓，它是(shi)導(dao)通的(de)(de)(de)；如果(guo)把電(dian)壓極性反過(guo)來，它就不(bu)導(dao)電(dian)，這就是(shi)半導(dao)體(ti)的(de)(de)(de)整效應，也是(shi)半導(dao)體(ti)所特有的(de)(de)(de)第(di)三種特性。同年，舒斯特又發現了銅與氧(yang)化(hua)銅的(de)(de)(de)整流效應。

很多人會疑問，為(wei)什么(me)(me)半導體被認可需要這么(me)(me)多年呢？主要原因是當時(shi)的(de)材(cai)料不(bu)純。沒有(you)好的(de)材(cai)料，很多與(yu)材(cai)料相關的(de)問題(ti)就(jiu)難以說清楚。

半導體分類

按化學成分(fen)可(ke)分(fen)為元(yuan)素半(ban)導(dao)體和化合物半(ban)導(dao)體兩大類。

鍺和硅(gui)是(shi)常用的元素(su)半導體(ti)；化(hua)(hua)合(he)物(wu)半導體(ti)包括第(di)Ⅲ和第(di)Ⅴ族(zu)(zu)化(hua)(hua)合(he)物(wu)（砷(shen)化(hua)(hua)鎵、磷化(hua)(hua)鎵等(deng)）、第(di)Ⅱ和第(di)Ⅵ族(zu)(zu)化(hua)(hua)合(he)物(wu)（硫化(hua)(hua)鎘、硫化(hua)(hua)鋅(xin)等(deng)）、氧化(hua)(hua)物(wu)（錳、鉻、鐵、銅的氧化(hua)(hua)物(wu)）,以(yi)及由Ⅲ-Ⅴ族(zu)(zu)化(hua)(hua)合(he)物(wu)和Ⅱ-Ⅵ族(zu)(zu)化(hua)(hua)合(he)物(wu)組成的固溶(rong)體(ti)（鎵鋁砷(shen)、鎵砷(shen)磷等(deng)）。

按(an)照(zhao)其制造技術，半導體的(de)分(fen)類可分(fen)為：集(ji)成(cheng)電路器件，分(fen)立(li)器件、光電半導體、邏(luo)輯IC、模擬IC、儲(chu)存器等大類，一般來說這些還會被分(fen)成(cheng)小類。

半導體的特點

半導體五大特性(xing)∶摻雜性(xing)，熱敏性(xing)，光敏性(xing)，負電阻(zu)率溫度特性(xing)，整流特性(xing)。

在(zai)形(xing)成(cheng)晶體結(jie)構(gou)的半(ban)導(dao)體中，人為地摻入特定(ding)的雜(za)質(zhi)元素，導(dao)電性能具有可控性。在(zai)光(guang)照(zhao)和熱輻射條(tiao)件(jian)下，其導(dao)電性有明顯的變化。

半導體工作原理

本征半(ban)導(dao)體：不含雜質且無晶格缺陷的(de)半(ban)導(dao)體稱(cheng)為本征半(ban)導(dao)體。在極(ji)低溫度下(xia)，半(ban)導(dao)體的(de)價帶(dai)是滿(man)帶(dai)，受到熱激(ji)發后，價帶(dai)中的(de)部(bu)分電(dian)子(zi)會越過禁帶(dai)進入能量較(jiao)高的(de)空帶(dai)，空帶(dai)中存在電(dian)子(zi)后成為導(dao)帶(dai)，價帶(dai)中缺少一(yi)個電(dian)子(zi)后形(xing)成一(yi)個帶(dai)正電(dian)的(de)空位，稱(cheng)為空穴(xue)。

空穴導(dao)電(dian)(dian)并不是實(shi)際運(yun)動，而是一種(zhong)等(deng)效。電(dian)(dian)子(zi)導(dao)電(dian)(dian)時等(deng)電(dian)(dian)量的空穴會沿其(qi)反(fan)方(fang)向運(yun)動。它(ta)們(men)在外電(dian)(dian)場作用下產生定向運(yun)動而形成宏觀電(dian)(dian)流(liu)，分別稱為(wei)電(dian)(dian)子(zi)導(dao)電(dian)(dian)和空穴導(dao)電(dian)(dian)。

這種由于電(dian)(dian)子(zi)-空(kong)(kong)穴(xue)(xue)對的(de)(de)(de)產(chan)生而形成的(de)(de)(de)混合型導(dao)電(dian)(dian)稱為(wei)本征導(dao)電(dian)(dian)。導(dao)帶中的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)會落(luo)入(ru)空(kong)(kong)穴(xue)(xue)，電(dian)(dian)子(zi)-空(kong)(kong)穴(xue)(xue)對消失，稱為(wei)復合。復合時釋(shi)放出(chu)的(de)(de)(de)能量變成電(dian)(dian)磁輻射（發光）或晶格的(de)(de)(de)熱振(zhen)動能量（發熱）。在一定溫度(du)下，電(dian)(dian)子(zi)-空(kong)(kong)穴(xue)(xue)對的(de)(de)(de)產(chan)生和復合同(tong)時存(cun)在并達到(dao)動態平衡，此(ci)時半(ban)導(dao)體具有一定的(de)(de)(de)載流子(zi)密(mi)度(du)，從而具有一定的(de)(de)(de)電(dian)(dian)阻率(lv)。溫度(du)升高時，將(jiang)產(chan)生更多(duo)(duo)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)-空(kong)(kong)穴(xue)(xue)對，載流子(zi)密(mi)度(du)增加(jia)，電(dian)(dian)阻率(lv)減小。無晶格缺陷的(de)(de)(de)純凈半(ban)導(dao)體的(de)(de)(de)電(dian)(dian)阻率(lv)較大，實際應用不多(duo)(duo)。

摻雜半導體

半(ban)導體(ti)之(zhi)所以能(neng)(neng)廣泛應用在今日的數位世(shi)界中，憑借的就是其(qi)能(neng)(neng)借由在其(qi)晶格中植(zhi)入雜質改變(bian)其(qi)電性，這個過(guo)程稱之(zhi)為摻雜（doping）。

半(ban)導(dao)(dao)體(ti)中的(de)雜(za)質(zhi)對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)率的(de)影響非常大。半(ban)導(dao)(dao)體(ti)中摻入微量(liang)雜(za)質(zhi)時(shi)(shi)，雜(za)質(zhi)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)附(fu)近(jin)(jin)的(de)周期勢場受到(dao)干擾并形成(cheng)附(fu)加的(de)束(shu)縛狀(zhuang)態，在禁帶中產生(sheng)附(fu)加的(de)雜(za)質(zhi)能(neng)(neng)級。例如四(si)價(jia)(jia)元(yuan)素(su)鍺或硅晶體(ti)中摻入五(wu)價(jia)(jia)元(yuan)素(su)磷(lin)、砷(shen)、銻等(deng)雜(za)質(zhi)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)時(shi)(shi)，雜(za)質(zhi)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)作為晶格的(de)一分子(zi)(zi)，其五(wu)個價(jia)(jia)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)中有四(si)個與周圍的(de)鍺（或硅）原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)形成(cheng)共價(jia)(jia)結合，多余的(de)一個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)被束(shu)縛于(yu)雜(za)質(zhi)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)附(fu)近(jin)(jin)，產生(sheng)類氫能(neng)(neng)級。雜(za)質(zhi)能(neng)(neng)級位于(yu)禁帶上方靠(kao)近(jin)(jin)導(dao)(dao)帶底附(fu)近(jin)(jin)。雜(za)質(zhi)能(neng)(neng)級上的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)很易激發到(dao)導(dao)(dao)帶成(cheng)為電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)載流子(zi)(zi)。這種能(neng)(neng)提供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)載流子(zi)(zi)的(de)雜(za)質(zhi)稱為施(shi)主(zhu)，相應能(neng)(neng)級稱為施(shi)主(zhu)能(neng)(neng)級。

摻(chan)雜進(jin)入本質(zhi)(zhi)半(ban)導體(ti)(ti)（intrinsicsemiconductor）的(de)雜質(zhi)(zhi)濃度與極性皆會(hui)對半(ban)導體(ti)(ti)的(de)導電特(te)性產生(sheng)很大的(de)影響(xiang)。而摻(chan)雜過的(de)半(ban)導體(ti)(ti)則(ze)稱為外質(zhi)(zhi)半(ban)導體(ti)(ti)（extrinsicsemiconductor）。

雜(za)質半導體(ti)：通過擴(kuo)散工藝，在(zai)本征半導體(ti)中摻入少(shao)量合(he)適的雜(za)質元素，可得到雜(za)質半導體(ti)。

P型(xing)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)：在(zai)純凈的硅(gui)晶體(ti)中摻入(ru)三價元(yuan)素（如硼），使之取(qu)代晶格中硅(gui)原子的位置，就形成了P型(xing)半(ban)(ban)導(dao)體(ti)。

多數(shu)載流子(zi)(zi)：P型半導體中，空穴(xue)的(de)濃度大于自由電子(zi)(zi)的(de)濃度，稱(cheng)為多數(shu)載流子(zi)(zi)，簡稱(cheng)多子(zi)(zi)。

少(shao)數(shu)載流(liu)子(zi)(zi)：P型(xing)半導體中，自由電子(zi)(zi)為(wei)少(shao)數(shu)載流(liu)子(zi)(zi)，簡稱(cheng)少(shao)子(zi)(zi)。

受(shou)主(zhu)原(yuan)子：雜質原(yuan)子中的(de)空位吸收電(dian)子，稱受(shou)主(zhu)原(yuan)子。

P型半導(dao)體(ti)的(de)導(dao)電特性：它是(shi)靠(kao)空穴(xue)導(dao)電，摻入的(de)雜(za)質越(yue)多，多子（空穴(xue)）的(de)濃度就越(yue)高，導(dao)電性能也(ye)就越(yue)強。

N型(xing)半導體：在純凈的硅晶體中(zhong)摻(chan)入(ru)五價元素（如磷），使之取代晶格中(zhong)硅原子的位置形成N型(xing)半導體。

多(duo)子(zi)(zi)：N型半導體中，多(duo)子(zi)(zi)為自(zi)由電(dian)子(zi)(zi)。

少子(zi)：N型半導體中(zhong)，少子(zi)為空(kong)穴。

施(shi)主(zhu)原子(zi)：雜(za)質原子(zi)可以提供(gong)電子(zi)，稱施(shi)主(zhu)原子(zi)。

N型(xing)半導體(ti)的(de)(de)導電特性：摻入的(de)(de)雜質(zhi)越多，多子（自(zi)由電子）的(de)(de)濃(nong)度就越高，導電性能也就越強。

半導體摻雜物

摻雜物依(yi)照(zhao)其帶(dai)給被(bei)摻雜材料(liao)的(de)電荷正負被(bei)區分為施(shi)主（donor）與受主（acceptor）。施(shi)主原子(zi)(zi)(zi)(zi)帶(dai)來的(de)價(jia)電子(zi)(zi)(zi)(zi)（valence electrons）大多會與被(bei)摻雜的(de)材料(liao)原子(zi)(zi)(zi)(zi)產生共價(jia)鍵，進而被(bei)束(shu)縛。而沒有和被(bei)摻雜材料(liao)原子(zi)(zi)(zi)(zi)產生共價(jia)鍵的(de)電子(zi)(zi)(zi)(zi)則(ze)會被(bei)施(shi)主原子(zi)(zi)(zi)(zi)微弱地束(shu)縛住，這個電子(zi)(zi)(zi)(zi)又稱為施(shi)主電子(zi)(zi)(zi)(zi)。

和本質半(ban)導(dao)(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)的(de)價電(dian)(dian)子(zi)(zi)比起來，施(shi)主電(dian)(dian)子(zi)(zi)躍遷(qian)至傳導(dao)(dao)(dao)(dao)帶所需(xu)的(de)能量(liang)較(jiao)低(di)，比較(jiao)容易在半(ban)導(dao)(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)材料(liao)的(de)晶(jing)格中移動，產生(sheng)電(dian)(dian)流。雖然施(shi)主電(dian)(dian)子(zi)(zi)獲得(de)能量(liang)會躍遷(qian)至傳導(dao)(dao)(dao)(dao)帶，但(dan)并不會和本質半(ban)導(dao)(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)一樣(yang)留下一個電(dian)(dian)洞，施(shi)主原子(zi)(zi)在失去了電(dian)(dian)子(zi)(zi)后(hou)只會固定(ding)在半(ban)導(dao)(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)材料(liao)的(de)晶(jing)格中。因此這種(zhong)因為摻雜而(er)獲得(de)多余電(dian)(dian)子(zi)(zi)提供(gong)傳導(dao)(dao)(dao)(dao)的(de)半(ban)導(dao)(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)稱為n型半(ban)導(dao)(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)（n-type semiconductor），n代(dai)表帶負電(dian)(dian)荷的(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)。

和施(shi)主(zhu)相對的(de)(de)(de)，受主(zhu)原子進入半(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)晶格后，因為(wei)(wei)其價電(dian)(dian)子數(shu)目比半(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)原子的(de)(de)(de)價電(dian)(dian)子數(shu)量少，等效上(shang)會帶(dai)來一(yi)個的(de)(de)(de)空位(wei)，這個多出的(de)(de)(de)空位(wei)即可視(shi)為(wei)(wei)電(dian)(dian)洞(dong)。受主(zhu)摻雜后的(de)(de)(de)半(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)稱為(wei)(wei)p型半(ban)(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)（p-type semiconductor），p代(dai)表帶(dai)正電(dian)(dian)荷的(de)(de)(de)電(dian)(dian)洞(dong)。

以一個硅(gui)的(de)本質半導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)來說(shuo)明摻(chan)(chan)雜的(de)影響(xiang)。硅(gui)有(you)四個價(jia)電子(zi)，常用于硅(gui)的(de)摻(chan)(chan)雜物有(you)三(san)價(jia)與五(wu)價(jia)的(de)元(yuan)素。當只有(you)三(san)個價(jia)電子(zi)的(de)三(san)價(jia)元(yuan)素如(ru)硼(peng)（boron）摻(chan)(chan)雜至(zhi)硅(gui)半導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)中時，硼(peng)扮(ban)演的(de)即是受主的(de)角色(se)，摻(chan)(chan)雜了硼(peng)的(de)硅(gui)半導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)就是p型(xing)半導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)。反過來說(shuo)，如(ru)果五(wu)價(jia)元(yuan)素如(ru)磷（phosphorus）摻(chan)(chan)雜至(zhi)硅(gui)半導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)時，磷扮(ban)演施主的(de)角色(se)，摻(chan)(chan)雜磷的(de)硅(gui)半導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)成為n型(xing)半導(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)。

一個半(ban)導體材料有(you)可能先后摻(chan)雜(za)施主與受主，而如何(he)決定此外質(zhi)半(ban)導體為(wei)(wei)n型或p型必(bi)須視摻(chan)雜(za)后的(de)半(ban)導體中，受主帶(dai)來的(de)電洞濃(nong)度較(jiao)高或是施主帶(dai)來的(de)電子濃(nong)度較(jiao)高，亦即何(he)者為(wei)(wei)此外質(zhi)半(ban)導體的(de)“多數載(zai)子”（majoritycarrier）。和多數載(zai)子相對的(de)是少(shao)數載(zai)子（minoritycarrier）。對于半(ban)導體元件的(de)操(cao)作原理分析而言，少(shao)數載(zai)子在半(ban)導體中的(de)行為(wei)(wei)有(you)著非常重要的(de)地(di)位。

摻雜對結構的影響

摻雜之(zhi)(zhi)后的(de)半(ban)導體(ti)能帶會(hui)有(you)所(suo)改變。依(yi)照摻雜物(wu)的(de)不同，本質半(ban)導體(ti)的(de)能隙(xi)之(zhi)(zhi)間會(hui)出現(xian)不同的(de)能階(jie)。施主原子(zi)(zi)會(hui)在(zai)靠近傳導帶的(de)地(di)(di)方產生(sheng)一個新(xin)的(de)能階(jie)，而受(shou)主原子(zi)(zi)則是在(zai)靠近價帶的(de)地(di)(di)方產生(sheng)新(xin)的(de)能階(jie)。假設摻雜硼原子(zi)(zi)進入硅(gui)，則因為硼的(de)能階(jie)到(dao)硅(gui)的(de)價帶之(zhi)(zhi)間僅有(you)0.045電子(zi)(zi)伏特，遠小于硅(gui)本身的(de)能隙(xi)1.12電子(zi)(zi)伏特，所(suo)以(yi)在(zai)室(shi)溫下就可以(yi)使摻雜到(dao)硅(gui)里的(de)硼原子(zi)(zi)完全解離化(hua)（ionize）。

摻雜物對于能(neng)(neng)帶(dai)(dai)(dai)結(jie)構(gou)的(de)(de)另一個(ge)重大(da)影響是改變了費(fei)米能(neng)(neng)階(jie)(jie)的(de)(de)位(wei)置(zhi)。在(zai)熱(re)平衡的(de)(de)狀態下費(fei)米能(neng)(neng)階(jie)(jie)依(yi)然會保(bao)持定值，這個(ge)特性會引出很(hen)多其他有用的(de)(de)電特性。舉例來說，一個(ge)p-n接面（p-n junction）的(de)(de)能(neng)(neng)帶(dai)(dai)(dai)會彎折，起因(yin)是原(yuan)本p型(xing)半(ban)導(dao)體(ti)和n型(xing)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)(de)費(fei)米能(neng)(neng)階(jie)(jie)位(wei)置(zhi)各不(bu)相同(tong)，但是形成p-n接面后其費(fei)米能(neng)(neng)階(jie)(jie)必須保(bao)持在(zai)同(tong)樣(yang)的(de)(de)高度，造(zao)成無(wu)論是p型(xing)或是n型(xing)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)(de)傳導(dao)帶(dai)(dai)(dai)或價帶(dai)(dai)(dai)都(dou)會被彎曲以(yi)配(pei)合接面處的(de)(de)能(neng)(neng)帶(dai)(dai)(dai)差異。

上述的(de)(de)效(xiao)應可以用能(neng)(neng)(neng)帶(dai)圖(tu)（banddiagram）來解釋(shi)(shi)，。在(zai)能(neng)(neng)(neng)帶(dai)圖(tu)里橫軸代表位置(zhi)，縱(zong)軸則是能(neng)(neng)(neng)量。圖(tu)中也(ye)有費(fei)米(mi)能(neng)(neng)(neng)階，半(ban)導體的(de)(de)本質費(fei)米(mi)能(neng)(neng)(neng)階（intrinsicFermi level）通常以Ei來表示。在(zai)解釋(shi)(shi)半(ban)導體元件的(de)(de)行為(wei)時(shi)，能(neng)(neng)(neng)帶(dai)圖(tu)是非常有用的(de)(de)工具。

PN結

P型半(ban)導(dao)體與(yu)N型半(ban)導(dao)體相互接(jie)觸(chu)時，其交界區(qu)(qu)(qu)域稱為PN結。P區(qu)(qu)(qu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)自由(you)空穴和N區(qu)(qu)(qu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)自由(you)電(dian)(dian)子要向對方區(qu)(qu)(qu)域擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)，造成(cheng)正負(fu)電(dian)(dian)荷在PN 結兩側的(de)(de)積累(lei)，形成(cheng)電(dian)(dian)偶(ou)極層(ceng)(ceng)(圖4)。電(dian)(dian)偶(ou)極層(ceng)(ceng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)電(dian)(dian)場方向正好阻(zu)止(zhi)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)的(de)(de)進行。當由(you)于(yu)載流(liu)子數(shu)密度(du)不等引起(qi)的(de)(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)作用與(yu)電(dian)(dian)偶(ou)層(ceng)(ceng)中(zhong)(zhong)電(dian)(dian)場的(de)(de)作用達到平(ping)衡時，P區(qu)(qu)(qu)和N區(qu)(qu)(qu)之間(jian)形成(cheng)一(yi)定的(de)(de)電(dian)(dian)勢(shi)差(cha)，稱為接(jie)觸(chu)電(dian)(dian)勢(shi)差(cha)。由(you)于(yu)P 區(qu)(qu)(qu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)空穴向N區(qu)(qu)(qu)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)后與(yu)N區(qu)(qu)(qu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)電(dian)(dian)子復(fu)合(he)，而(er)N區(qu)(qu)(qu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)電(dian)(dian)子向P區(qu)(qu)(qu)擴(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)后與(yu)P 區(qu)(qu)(qu)中(zhong)(zhong)的(de)(de)空穴復(fu)合(he)，這使電(dian)(dian)偶(ou)極層(ceng)(ceng)中(zhong)(zhong)自由(you)載流(liu)子數(shu)減少而(er)形成(cheng)高(gao)阻(zu)層(ceng)(ceng)，故電(dian)(dian)偶(ou)極層(ceng)(ceng)也叫阻(zu)擋(dang)層(ceng)(ceng)，阻(zu)擋(dang)層(ceng)(ceng)的(de)(de)電(dian)(dian)阻(zu)值往往是組成(cheng)PN結的(de)(de)半(ban)導(dao)體的(de)(de)原有阻(zu)值的(de)(de)幾十倍乃至幾百倍。

PN結具有單向導電性，半(ban)導體整流管就是利用PN結的這一特性制成的。

PN結的另一(yi)重(zhong)要(yao)性(xing)質是受到光(guang)(guang)照后(hou)能產生電(dian)動勢，稱光(guang)(guang)生伏打效應，可(ke)(ke)利(li)用來制造光(guang)(guang)電(dian)池。半導(dao)體三(san)極(ji)管、可(ke)(ke)控硅、PN結光(guang)(guang)敏器(qi)件和發光(guang)(guang)二極(ji)管等半導(dao)體器(qi)件均利(li)用了PN結的特(te)性(xing)。

PN結(jie)(jie)(jie)的單向(xiang)導電(dian)性(xing)：P端(duan)(duan)(duan)接(jie)(jie)電(dian)源(yuan)的正(zheng)極(ji)，N端(duan)(duan)(duan)接(jie)(jie)電(dian)源(yuan)的負極(ji)稱(cheng)之為PN結(jie)(jie)(jie)正(zheng)偏(pian)。此(ci)(ci)時PN結(jie)(jie)(jie)如同一個開(kai)關合上(shang)，呈現(xian)很(hen)小的電(dian)阻(zu)，稱(cheng)之為導通狀(zhuang)態。P端(duan)(duan)(duan)接(jie)(jie)電(dian)源(yuan)的負極(ji)，N端(duan)(duan)(duan)接(jie)(jie)電(dian)源(yuan)的正(zheng)極(ji)稱(cheng)之為PN結(jie)(jie)(jie)反偏(pian)，此(ci)(ci)時PN結(jie)(jie)(jie)處于(yu)截(jie)止狀(zhuang)態，如同開(kai)關打開(kai)。結(jie)(jie)(jie)電(dian)阻(zu)很(hen)大，當反向(xiang)電(dian)壓加大到一定程度，PN結(jie)(jie)(jie)會發(fa)生擊(ji)穿而(er)損壞。

半導體材料的制造

為了滿足量產(chan)上的(de)(de)(de)需(xu)求(qiu)，半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)電性必須(xu)是可預測并且穩定的(de)(de)(de)，因此包(bao)括摻雜物(wu)的(de)(de)(de)純度以及半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)晶(jing)格(ge)結構的(de)(de)(de)品質都(dou)必須(xu)嚴格(ge)要求(qiu)。常(chang)見的(de)(de)(de)品質問題(ti)包(bao)括晶(jing)格(ge)的(de)(de)(de)錯位（dislocation）、雙晶(jing)面(mian)（twins），或(huo)是堆棧錯誤（stacking fault）都(dou)會影響(xiang)半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)材(cai)料的(de)(de)(de)特(te)性。對于一個半(ban)(ban)導(dao)(dao)體(ti)(ti)元件而(er)言，材(cai)料晶(jing)格(ge)的(de)(de)(de)缺(que)陷通常(chang)是影響(xiang)元件性能的(de)(de)(de)主因。

目(mu)前用來成長高純(chun)度(du)單晶半導體材料最常見(jian)的(de)(de)方法稱為(wei)裘可拉(la)斯基(ji)制程（Czochralski process）。這種制程將(jiang)一(yi)個單晶的(de)(de)晶種（seed）放入溶解(jie)的(de)(de)同材質(zhi)液(ye)體中，再以旋轉(zhuan)(zhuan)的(de)(de)方式緩緩向上拉(la)起。在晶種被拉(la)起時，溶質(zhi)將(jiang)會沿(yan)著(zhu)固體和液(ye)體的(de)(de)接口固化，而旋轉(zhuan)(zhuan)則可讓溶質(zhi)的(de)(de)溫度(du)均勻。

半導體的應用

1.最早的實用半導體(ti)是電晶體(ti)（Transistor）/二(er)極(ji)體(ti)（Diode）。在(zai)無線電收音(yin)機(ji)（Radio）及(ji)電視機(ji)（Television）半導體(ti)中，作為訊號放(fang)大器/整流器用。

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

3.半導體可以用(yong)來測(ce)量溫(wen)(wen)度(du)，測(ce)溫(wen)(wen)范圍可以達到(dao)生產、生活(huo)、醫療衛生、科研教(jiao)學(xue)等應用(yong)的70%的領(ling)域，有較高的準確度(du)和(he)穩定(ding)性，分(fen)辨率可達0.1℃，甚至(zhi)達到(dao)0.01℃也不是不可能，線(xian)性度(du)0.2%，測(ce)溫(wen)(wen)范圍-100~+300℃，是性價(jia)比極高的一種(zhong)測(ce)溫(wen)(wen)元件。

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4.半導體致冷(leng)器的發展,它(ta)也叫熱電致冷(leng)器或溫差致冷(leng)器,它(ta)采用了帕爾貼效應.

半導體(ti)與集成電路的(de)關系

半導(dao)(dao)(dao)(dao)體是(shi)指(zhi)導(dao)(dao)(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)性(xing)能介于(yu)導(dao)(dao)(dao)(dao)體和絕緣(yuan)體之間的(de)(de)(de)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)。我們知道(dao)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路之所(suo)以具有(you)(you)某(mou)種(zhong)(zhong)功能，主要是(shi)因為其(qi)內(nei)部有(you)(you)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)(de)各(ge)種(zhong)(zhong)變化(hua)，而之所(suo)以形成(cheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)，主要是(shi)因為有(you)(you)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)在金屬線路和電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)元(yuan)件之間流(liu)(liu)動(dong)（運動(dong)/遷移）。所(suo)以，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)在材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)中運動(dong)的(de)(de)(de)難易(yi)程度，決定了其(qi)導(dao)(dao)(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)性(xing)能。常(chang)見的(de)(de)(de)金屬材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)在常(chang)溫(wen)下電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)就很(hen)容易(yi)獲得(de)(de)能量發生(sheng)運動(dong)，因此(ci)其(qi)導(dao)(dao)(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)性(xing)能好；絕緣(yuan)體由于(yu)其(qi)材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)本(ben)身(shen)特性(xing)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)很(hen)難獲得(de)(de)導(dao)(dao)(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)所(suo)需能量，其(qi)內(nei)部很(hen)少電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)可(ke)以遷移，因此(ci)幾(ji)乎不導(dao)(dao)(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。而半導(dao)(dao)(dao)(dao)體材(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)導(dao)(dao)(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)特性(xing)則介于(yu)這兩(liang)者之間，并且可(ke)以通過(guo)摻(chan)入雜質來改變其(qi)導(dao)(dao)(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)性(xing)能，人(ren)為控制它導(dao)(dao)(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)或者不導(dao)(dao)(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)以及(ji)導(dao)(dao)(dao)(dao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)容易(yi)程度。這一(yi)點稱之為半導(dao)(dao)(dao)(dao)體的(de)(de)(de)可(ke)摻(chan)雜特性(xing)。

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前面說(shuo)過，集(ji)(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)基(ji)礎是(shi)(shi)晶體(ti)管，發明了晶體(ti)管才有(you)(you)可(ke)能創造出集(ji)(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)(lu)，而(er)晶體(ti)管的(de)(de)基(ji)礎則(ze)是(shi)(shi)半(ban)導(dao)體(ti)，因此半(ban)導(dao)體(ti)也(ye)是(shi)(shi)集(ji)(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)基(ji)礎。半(ban)導(dao)體(ti)之于集(ji)(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)(lu)，如(ru)同土地之于城市(shi)(shi)。很明顯，山(shan)地、丘(qiu)陵多(duo)者不適(shi)合(he)建造城市(shi)(shi)，沙化(hua)土壤(rang)、石灰巖多(duo)的(de)(de)地方也(ye)不適(shi)合(he)建造城市(shi)(shi)。“建造”城市(shi)(shi)需(xu)(xu)要(yao)選一塊(kuai)好地，“集(ji)(ji)成(cheng)”電(dian)路(lu)(lu)也(ye)需(xu)(xu)要(yao)一塊(kuai)合(he)適(shi)的(de)(de)基(ji)礎材料——就是(shi)(shi)半(ban)導(dao)體(ti)。常見的(de)(de)半(ban)導(dao)體(ti)材料有(you)(you)硅(gui)、鍺(zang)、砷化(hua)鎵（化(hua)合(he)物），其中應用(yong)(yong)廣的(de)(de)、商用(yong)(yong)化(hua)成(cheng)功(gong)的(de)(de)當推“硅(gui)”。

那么(me)半(ban)導(dao)體，特(te)別是(shi)(shi)硅(gui)，為什么(me)適合制(zhi)造集(ji)成(cheng)電(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)呢(ni)？有多方(fang)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)因。硅(gui)是(shi)(shi)地殼中(zhong)(zhong)豐富的(de)(de)(de)(de)(de)元素，僅次于(yu)氧(yang)(yang)。自然(ran)界中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)巖(yan)石、砂礫等存在(zai)大量(liang)硅(gui)酸鹽或(huo)二氧(yang)(yang)化(hua)硅(gui)，這是(shi)(shi)原(yuan)料成(cheng)本方(fang)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)因。硅(gui)的(de)(de)(de)(de)(de)可摻雜特(te)性容(rong)(rong)易(yi)(yi)(yi)控制(zhi)，容(rong)(rong)易(yi)(yi)(yi)制(zhi)造出(chu)符合要(yao)求的(de)(de)(de)(de)(de)晶體管，這是(shi)(shi)電(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)原(yuan)理(li)方(fang)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)因。硅(gui)經(jing)過(guo)氧(yang)(yang)化(hua)所形成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)二氧(yang)(yang)化(hua)硅(gui)性能穩定，能夠作為半(ban)導(dao)體器件中(zhong)(zhong)所需的(de)(de)(de)(de)(de)優(you)良的(de)(de)(de)(de)(de)絕緣膜使用，這是(shi)(shi)器件結(jie)構(gou)方(fang)面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)因。關鍵的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)點還是(shi)(shi)在(zai)于(yu)集(ji)成(cheng)電(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)的(de)(de)(de)(de)(de)平面(mian)工(gong)藝(yi)，硅(gui)更(geng)容(rong)(rong)易(yi)(yi)(yi)實(shi)施氧(yang)(yang)化(hua)、光刻、擴散等工(gong)藝(yi)，更(geng)方(fang)便集(ji)成(cheng)，其性能更(geng)容(rong)(rong)易(yi)(yi)(yi)得到控制(zhi)。因此后(hou)續主要(yao)介紹的(de)(de)(de)(de)(de)也(ye)是(shi)(shi)基于(yu)硅(gui)的(de)(de)(de)(de)(de)集(ji)成(cheng)電(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)知識，對硅(gui)晶體管和集(ji)成(cheng)電(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)工(gong)藝(yi)有了解后(hou)，會更(geng)容(rong)(rong)易(yi)(yi)(yi)理(li)解這個(ge)問(wen)題。

除了可摻(chan)雜性(xing)之(zhi)(zhi)外，半(ban)導(dao)體(ti)還具(ju)有熱(re)敏性(xing)、光敏性(xing)、負電(dian)(dian)阻率溫度(du)、可整(zheng)流等幾個特性(xing)，因(yin)此半(ban)導(dao)體(ti)材料(liao)除了用(yong)于(yu)制(zhi)(zhi)造大規模(mo)集成(cheng)電(dian)(dian)路之(zhi)(zhi)外，還可以用(yong)于(yu)功率器(qi)(qi)件、光電(dian)(dian)器(qi)(qi)件、壓力(li)傳感器(qi)(qi)、熱(re)電(dian)(dian)制(zhi)(zhi)冷等用(yong)途；利用(yong)微電(dian)(dian)子(zi)(zi)的超微細加工技(ji)術(shu)，還可以制(zhi)(zhi)成(cheng)MEMS（微機(ji)械電(dian)(dian)子(zi)(zi)系統），應(ying)用(yong)在電(dian)(dian)子(zi)(zi)、醫療領域。

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