一文看懂半導(dǎo)體是由什么物質(zhì)構(gòu)成的

　　什么是半導(dǎo)體

　　當(dāng)電流通過各種物體時(shí)，不同的物體對(duì)電流的通過有著不同的阻止能力，有的物體可使電流順利通過，也有的物體不讓其通過，或者在一定的阻力下讓它通過。這種不同的物體通過電流的能力，叫做這種物體的導(dǎo)電性能。各種物體均有著不同的導(dǎo)電性能，凡是導(dǎo)電性能很好的物體叫做導(dǎo)體。如銀、銅、鋁、鉛、錫、鐵、水銀、碳和電解液等都是良好導(dǎo)體。反之，導(dǎo)電能力很差的物體叫做絕緣體。還有，有的物體的導(dǎo)電能力比導(dǎo)體差，但比絕緣體強(qiáng)，這種導(dǎo)體叫做半導(dǎo)體。如常用的晶體管原材料硅、鍺等。收音機(jī) CPU都是半導(dǎo)體。

　　半導(dǎo)體具有一些特殊性質(zhì)。如利用半導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系可制成自動(dòng)控制用的熱敏元件（熱敏電阻）；利用它的光敏特性可制成自動(dòng)控制用的光敏元件，像光電池、光電管和光敏電阻等。

　　半導(dǎo)體還有一個(gè)最重要的性質(zhì)，如果在純凈的半導(dǎo)體物質(zhì)中適當(dāng)?shù)負(fù)饺胛⒘侩s質(zhì)測其導(dǎo)電能力將會(huì)成百萬倍地增加。利用這一特性可制造各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如半導(dǎo)體二極管、三極管等。

　　把一塊半導(dǎo)體的一邊制成P型區(qū)，另一邊制成N型區(qū)，則在交界處附近形成一個(gè)具有特殊性能的薄層，一般稱此薄層為PN結(jié)。圖中上部分為P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體界面兩邊載流子的擴(kuò)散作用（用黑色箭頭表示）。中間部分為PN結(jié)的形成過程，示意載流子的擴(kuò)散作用大于漂移作用（用藍(lán)色箭頭表示，紅色箭頭表示內(nèi)建電場的方向）。下邊部分為PN結(jié)的形成。表示擴(kuò)散作用和漂移作用的動(dòng)態(tài)平衡。

　　半導(dǎo)體有什么用

　　目前廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料有鍺、硅、硒、砷化鎵、磷化鎵、銻化銦等．其中以鍺、硅材料的生產(chǎn)技術(shù)較成熟，用的也較多。

　　用半導(dǎo)體材料制成的部件、集成電路等是電子工業(yè)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)品，在電子技術(shù)的各個(gè)方面已大量使用。半導(dǎo)體材料、器件、集成電路的生產(chǎn)和科研已成為電子工業(yè)的重要組成部分。在新產(chǎn)品研制及新技術(shù)發(fā)展方面，比較重要的領(lǐng)域有：

　?。?）集成電路

　　它是半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展中最活躍的一個(gè)領(lǐng)域，已發(fā)展到大規(guī)模集成的階段。在幾平方毫米的硅片上能制作幾萬只晶體管，可在一片硅片上制成一臺(tái)微信息處理器，或完成其它較復(fù)雜的電路功能。集成電路的發(fā)展方向是實(shí)現(xiàn)更高的集成度和微功耗，并使信息處理速度達(dá)到微微秒級(jí)。

　　（2）微波器件

　　半導(dǎo)體微波器件包括接收、控制和發(fā)射器件等。毫米波段以下的接收器件已廣泛使用。在厘米波段，發(fā)射器件的功率已達(dá)到數(shù)瓦，人們正在通過研制新器件、發(fā)展新技術(shù)來獲得更大的輸出功率。

　?。?）光電子器件

　　半導(dǎo)體發(fā)光、攝象器件和激光器件的發(fā)展使光電子器件成為一個(gè)重要的領(lǐng)域。它們的應(yīng)用范圍主要是：光通信、數(shù)碼顯示、圖象接收、光集成等。

　　半導(dǎo)體是由什么物質(zhì)構(gòu)成的

　　自然界的物質(zhì)按導(dǎo)電能力可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體三類。半導(dǎo)體材料是指室溫下導(dǎo)電性介于導(dǎo)電材料和絕緣材料之間的一類功能材料。靠電子和空穴兩種載流子實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電，室溫時(shí)電阻率一般在10-5～107歐·米之間。通常電阻率隨溫度升高而增大；若摻入活性雜質(zhì)或用光、射線輻照，可使其電阻率有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。1906年制成了碳化硅檢波器。

　　1947年發(fā)明晶體管以后，半導(dǎo)體材料作為一個(gè)獨(dú)立的材料領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展，并成為電子工業(yè)和高技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的材料。特性和參數(shù)半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對(duì)某些微量雜質(zhì)極敏感。純度很高的半導(dǎo)體材料稱為本征半導(dǎo)體，常溫下其電阻率很高，是電的不良導(dǎo)體。在高純半導(dǎo)體材料中摻入適當(dāng)雜質(zhì)后，由于雜質(zhì)原子提供導(dǎo)電載流子，使材料的電阻率大為降低。這種摻雜半導(dǎo)體常稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的稱N型半導(dǎo)體，靠價(jià)帶空穴導(dǎo)電的稱P型半導(dǎo)體。

　　不同類型半導(dǎo)體間接觸（構(gòu)成PN結(jié)）或半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)，因電子（或空穴）濃度差而產(chǎn)生擴(kuò)散，在接觸處形成位壘，因而這類接觸具有單向?qū)щ娦?。利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕梢灾瞥删哂胁煌δ艿陌雽?dǎo)體器件，如二極管、三極管、晶閘管等。

　　此外，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對(duì)外界條件（如熱、光、電、磁等因素）的變化非常敏感，據(jù)此可以制造各種敏感元件，用于信息轉(zhuǎn)換。半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)有禁帶寬度、電阻率、載流子遷移率、非平衡載流子壽命和位錯(cuò)密度。禁帶寬度由半導(dǎo)體的電子態(tài)、原子組態(tài)決定，反映組成這種材料的原子中價(jià)電子從束縛狀態(tài)激發(fā)到自由狀態(tài)所需的能量。電阻率、載流子遷移率反映材料的導(dǎo)電能力。

　　非平衡載流子壽命反映半導(dǎo)體材料在外界作用（如光或電場）下內(nèi)部載流子由非平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)過渡的弛豫特性。位錯(cuò)是晶體中最常見的一類缺陷。位錯(cuò)密度用來衡量半導(dǎo)體單晶材料晶格完整性的程度，對(duì)于非晶態(tài)半導(dǎo)體材料，則沒有這一參數(shù)。半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)不僅能反映半導(dǎo)體材料與其他非半導(dǎo)體材料之間的差別，更重要的是能反映各種半導(dǎo)體材料之間甚至同一種材料在不同情況下，其特性的量值差別。

　　半導(dǎo)體材料的種類

　　常用的半導(dǎo)體材料分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體是由單一元素制成的半導(dǎo)體材料。主要有硅、鍺、硒等，以硅、鍺應(yīng)用最廣?；衔锇雽?dǎo)體分為二元系、三元系、多元系和有機(jī)化合物半導(dǎo)體。二元系化合物半導(dǎo)體有Ⅲ-Ⅴ族（如砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等）、Ⅱ-Ⅵ族（如硫化鎘、硒化鎘、碲化鋅、硫化鋅等）、Ⅳ-Ⅵ族（如硫化鉛、硒化鉛等）、Ⅳ-Ⅳ族（如碳化硅）化合物。三元系和多元系化合物半導(dǎo)體主要為三元和多元固溶體，如鎵鋁砷固溶體、鎵鍺砷磷固溶體等。有機(jī)化合物半導(dǎo)體有萘、蒽、聚丙烯腈等，還處于研究階段。

　　此外，還有非晶態(tài)和液態(tài)半導(dǎo)體材料，這類半導(dǎo)體與晶態(tài)半導(dǎo)體的最大區(qū)別是不具有嚴(yán)格周期性排列的晶體結(jié)構(gòu)。制備不同的半導(dǎo)體器件對(duì)半導(dǎo)體材料有不同的形態(tài)要求，包括單晶的切片、磨片、拋光片、薄膜等。半導(dǎo)體材料的不同形態(tài)要求對(duì)應(yīng)不同的加工工藝。常用的半導(dǎo)體材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長。

　　所有的半導(dǎo)體材料都需要對(duì)原料進(jìn)行提純，要求的純度在6個(gè)“9”以上，最高達(dá)11個(gè)“9”以上。提純的方法分兩大類，一類是不改變材料的化學(xué)組成進(jìn)行提純，稱為物理提純；另一類是把元素先變成化合物進(jìn)行提純，再將提純后的化合物還原成元素，稱為化學(xué)提純。物理提純的方法有真空蒸發(fā)、區(qū)域精制、拉晶提純等，使用最多的是區(qū)域精制?；瘜W(xué)提純的主要方法有電解、絡(luò)合、萃娶精餾等，使用最多的是精餾。

　　由于每一種方法都有一定的局限性，因此常使用幾種提純方法相結(jié)合的工藝流程以獲得合格的材料。絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件是在單晶片或以單晶片為襯底的外延片上作出的。成批量的半導(dǎo)體單晶都是用熔體生長法制成的。直拉法應(yīng)用最廣，80％的硅單晶、大部分鍺單晶和銻化銦單晶是用此法生產(chǎn)的，其中硅單晶的最大直徑已達(dá)300毫米。在熔體中通入磁場的直拉法稱為磁控拉晶法，用此法已生產(chǎn)出高均勻性硅單晶。在坩堝熔體表面加入液體覆蓋劑稱液封直拉法，用此法拉制砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等分解壓較大的單晶。懸浮區(qū)熔法的熔體不與容器接觸，用此法生長高純硅單晶。

　　水平區(qū)熔法用以生產(chǎn)鍺單晶。水平定向結(jié)晶法主要用于制備砷化鎵單晶，而垂直定向結(jié)晶法用于制備碲化鎘、砷化鎵。用各種方法生產(chǎn)的體單晶再經(jīng)過晶體定向、滾磨、作參考面、切片、磨片、倒角、拋光、腐蝕、清洗、檢測、封裝等全部或部分工序以提供相應(yīng)的晶片。在單晶襯底上生長單晶薄膜稱為外延。外延的方法有氣相、液相、固相、分子束外延等。

　　工業(yè)生產(chǎn)使用的主要是化學(xué)氣相外延，其次是液相外延。金屬有機(jī)化合物氣相外延和分子束外延則用于制備量子阱及超晶格等微結(jié)構(gòu)。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金屬等襯底上用不同類型的化學(xué)氣相沉積、磁控濺射等方法制成。

　　半導(dǎo)體和絕緣體之間的差異主要來自兩者的能帶（band）寬度不同。絕緣體的能帶比半導(dǎo)體寬，意即絕緣體價(jià)帶中的載子必須獲得比在半導(dǎo)體中更高的能量才能跳過能帶，進(jìn)入傳導(dǎo)帶中。室溫下的半導(dǎo)體導(dǎo)電性有如絕緣體，只有極少數(shù)的載子具有足夠的能量進(jìn)入傳導(dǎo)帶。因此，對(duì)于一個(gè)在相同電場下的純質(zhì)半導(dǎo)體（intrinsicsemiconductor）和絕緣體會(huì)有類似的電特性，不過半導(dǎo)體的能帶寬度小于絕緣體也意味著半導(dǎo)體的導(dǎo)電性更容易受到控制而改變。

　　純質(zhì)半導(dǎo)體的電氣特性可以藉由植入雜質(zhì)的過程而永久改變，這個(gè)過程通常稱為“摻雜”（doping）。依照摻雜所使用的雜質(zhì)不同，摻雜后的半導(dǎo)體原子周圍可能會(huì)多出一個(gè)電子或一個(gè)電洞，而讓半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性變得與原本不同。如果摻雜進(jìn)入半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度夠高，半導(dǎo)體也可能會(huì)表現(xiàn)出如同金屬導(dǎo)體般的電性。在摻雜了不同極性雜質(zhì)的半導(dǎo)體接面處會(huì)有一個(gè)內(nèi)建電場（built-inelectricfield），內(nèi)建電場和許多半導(dǎo)體元件的操作原理息息相關(guān)。

　　除了藉由摻雜的過程永久改變電性外，半導(dǎo)體亦可因?yàn)槭┘佑谄渖系碾妶龈淖兌鴦?dòng)態(tài)地變化。半導(dǎo)體材料也因?yàn)檫@樣的特性，很適合用來作為電路元件，例如晶體管。晶體管屬于主動(dòng)式的（有源）半導(dǎo)體元件（activesemiconductordevices），當(dāng)主動(dòng)元件和被動(dòng)式的（無源）半導(dǎo)體元件（passivesemiconductordevices）如電阻器（resistor）或是電容器（capacitor）組合起來時(shí)，可以用來設(shè)計(jì)各式各樣的集成電路產(chǎn)品，例如微處理器。

　　當(dāng)電子從傳導(dǎo)帶掉回價(jià)帶時(shí)，減少的能量可能會(huì)以光的形式釋放出來。這種過程是制造發(fā)光二極管（light-emittingdiode，LED）以及半導(dǎo)體激光（semiconductorlaser）的基礎(chǔ)，在商業(yè)應(yīng)用上都有舉足輕重的地位。而相反地，半導(dǎo)體也可以吸收光子，透過光電效應(yīng)而激發(fā)出在價(jià)帶的電子，產(chǎn)生電訊號(hào)。這即是光探測器（photodetector）的來源，在光纖通訊（fiber-opticcommunications）或是太陽能電池（solarcell）的領(lǐng)域是最重要的元件。

　　半導(dǎo)體有可能是單一元素組成，例如硅。也可以是兩種或是多種元素的化合物（compound），常見的化合物半導(dǎo)體有砷化鎵（galliumarsenide，GaAs）或是磷化鋁銦鎵（aluminiumgalliumindiumphosphide，AlGaInP）等。合金（alloy）也是半導(dǎo)體材料的來源之一，如鍺硅（silicongermanium，SiGe）或是砷化鎵鋁（aluminiumgalliumarsenide，AlGaAs）等。

　　半導(dǎo)體的應(yīng)用

　　一、在無線電收音機(jī)（Radio）及電視機(jī)（Television）中，作為“訊號(hào)放大器/整流器”用。

　　二、發(fā)展「太陽能（Solar Power）」，也用在「光電池（Solar Cell）」中。

　　三、半導(dǎo)體可以用來測量溫度，測溫范圍可以達(dá)到生產(chǎn)、生活、醫(yī)療衛(wèi)生、科研教學(xué)等應(yīng)用的70%的領(lǐng)域，有較高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，分辨率可達(dá)0.1℃，甚至達(dá)到0.01℃也不是不可能，線性度0.2%，測溫范圍-100~+300℃，是性價(jià)比極高的一種測溫元件。

　　四、半導(dǎo)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(yīng)。