半導體百科知識
目錄

半導體簡介
半導體定義
半導體特點
PN結的單向導電性
伏安特性曲線
半導體雜質
半導體歷史
半導體應用
半導體行業的發展
半導體的英文及解釋 半導體簡介
半導體定義
半導體特點
PN結的單向導電性
伏安特性曲線
半導體雜質
半導體歷史
半導體應用
半導體行業的發展半導體的英文及解釋?

半導體特點
　　半導體五大特性∶電阻率特性，導電特性，光電特性，負的電阻率溫度特性，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，少數的價電子由于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。
　　本征半導體的電流：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。
　　本征半導體電的特點：本征半導體有兩種載流子，即自由電子和空穴均參與導電。
　　本征激發：半導體在熱激發下產生自由電子和空穴的現象稱為本征激發。
　　復合：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，這種現象稱為復合。
　　動態平衡：在一定的溫度下，本征激發所產生的自由電子與空穴對，與復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系：溫度一定，本征半導體中載流子的濃度是一定的，并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：本征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，可制作熱敏和光敏器件，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，在本征半導體中摻入少量合適的雜質元素，可得到雜質半導體。
　　N型半導體：在純凈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，就形成了N型半導體。
　　多數載流子：N型半導體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，稱為多數載流子，簡稱多子。
　　少數載流子：N型半導體中，空穴為少數載流子，簡稱少子。
　　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：它是靠自由電子導電，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。
　　P型半導體：在純凈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，形成P型半導體。
　　多子：P型半導體中，多子為空穴。
　　少子：P型半導體中，少子為電子。
　　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：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。
　　結論：
　　多子的濃度決定于雜質濃度。
　　少子的濃度決定于溫度。
　　PN結的形成：將P型半導體與N型半導體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面就形成PN結。
　　PN結的特點：具有單向導電性。
　　擴散運動：物質總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由于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復合，而擴散到N區的空穴與自由電子復合，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。
　　PN結的形成過程：如圖所示，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊硅片上，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于參與漂移運動的少子數目，從而達到動態平衡，形成PN結。
　　PN結的形成過程
　　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結的單向導電性
PN結的單向導電性
　　P端接電源的正極，N端接電源的負極稱之為PN結正偏。此時PN結如同一個開關合上，呈現很小的電阻，稱之為導通狀態。
　　P端接電源的負極，N端接電源的正極稱之為PN結反偏，此時PN結處于截止狀態，如同開關打開。結電阻很大，當反向電壓加大到一定程度，PN結會發生擊穿而損壞。
[編輯本段]伏安特性曲線
　　伏安特性曲線：加在PN結兩端的電壓和流過二極管的電流之間的關系曲線稱為伏安特性曲線。如圖所示：PN伏安特性
　　正向特性：u>0的部分稱為正向特性。
　　反向特性：u<0的部分稱為反向特性。
　　反向擊穿：當反向電壓超過一定數值U（BR）后，反向電流急劇增加，稱之反向擊穿。
　　勢壘電容：耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為勢壘電容Cb。
　　變容二極管：當PN結加反向電壓時，Cb明顯隨u的變化而變化，而制成各種變容二極管。如下圖所示。PN結的勢壘電容
　　平衡少子：PN結處于平衡狀態時的少子稱為平衡少子。
　　非平衡少子：PN結處于正向偏置時，從P區擴散到N區的空穴和從N區擴散到P區的自由電子均稱為非平衡少子。
　　擴散電容：擴散區內電荷的積累和釋放過程與電容器充、放電過程相同，這種電容效應稱為Cd。
　　結電容：勢壘電容與擴散電容之和為PN結的結電容Cj。
半導體雜質
　　半導體中的雜質對電阻率的影響非常大。半導體中摻入微量雜質時，雜質原子附近的周期勢場受到干擾并形成附加的束縛狀態，在禁帶中產加的雜質能級。例如四價元素鍺或硅晶體中摻入五價元素磷、砷、銻等雜質原子時，雜質原子作為晶格的一分子，其五個價電子中有四個與周圍的鍺（或硅）原子形成共價結合，多余的一個電子被束縛于雜質原子附近，產生類氫能級。雜質能級位于禁帶上方靠近導帶底附近。雜質能級上的電子很易激發到導帶成為電子載流子。這種能提供電子載流子的雜質稱為施主，相應能級稱為施主能級。施主能級上的電子躍遷到導帶所需能量比從價帶激發到導帶所需能量小得多（圖2）。在鍺或硅晶體中摻入微量三價元素硼、鋁、鎵等雜質原子時，雜質原子與周圍四個鍺（或硅）原子形成共價結合時尚缺少一個電子，因而存在一個空位，與此空位相應的能量狀態就是雜質能級，通常位于禁帶下方靠近價帶處。價帶中的電子很易激發到雜質能級上填補這個空位，使雜質原子成為負離子。價帶中由于缺少一個電子而形成一個空穴載流子（圖3）。這種能提供空穴的雜質稱為受主雜質。存在受主雜質時，在價帶中形成一個空穴載流子所需能量比本征半導體情形要小得多。半導體摻雜后其電阻率大大下降。加熱或光照產生的熱激發或光激發都會使自由載流子數增加而導致電阻率減小，半導體熱敏電阻和光敏電阻就是根據此原理制成的。對摻入施主雜質的半導體，導電載流子主要是導帶中的電子，屬電子型導電，稱N型半導體。摻入受主雜質的半導體屬空穴型導電，稱P型半導體。半導體在任何溫度下都能產生電子-空穴對，故N型半導體中可存在少量導電空穴，P型半導體中可存在少量導電電子，它們均稱為少數載流子。在半導體器件的各種效應中，少數載流子常扮演重要角色。
　　PN結
　　P型半導體與N型半導體相互接觸時，其交界區域稱為PN結。P區中的自由空穴和N區中的自由電子要向對方區域擴散，造成正負電荷在 PN 結兩側的積累，形成電偶極層(圖4 )。電偶極層中的電場方向正好阻止擴散的進行。當由于載流子數密度不等引起的擴散作用與電偶層中電場的作用達到平衡時，P區和N區之間形成一定的電勢差，稱為接觸電勢差。由于P 區中的空穴向N區擴散后與N區中的電子復合，而N區中的電子向P區擴散后與P 區中的空穴復合，這使電偶極層中自由載流子數減少而形成高阻層，故電偶極層也叫阻擋層，阻擋層的電阻值往往是組成PN結的半導體的原有阻值的幾十倍乃至幾百倍。
　　PN結具有單向導電性，半導體整流管就是利用PN結的這一特性制成的。PN結的另一重要性質是受到光照后能產生電動勢，稱光生伏打效應，可利用來制造光電池。半導體三極管、可控硅、PN結光敏器件和發光二極管等半導體器件均利用了PN結的特性。
　　半導體摻雜
　　半導體之所以能廣泛應用在今日的數位世界中，憑借的就是其能借由在其晶格中植入雜質改變其電性，這個過程稱之為摻雜（doping）。摻雜進入本質半導體（intrinsic semiconductor）的雜質濃度與極性皆會對半導體的導電特性產生很大的影響。而摻雜過的半導體則稱為外質半導體（extrinsic semiconductor）。
　　半導體摻雜物
　　哪種材料適合作為某種半導體材料的摻雜物（dopant）需視兩者的原子特性而定。一般而言，摻雜物依照其帶給被摻雜材料的電荷正負被區分為施體（donor）與受體（acceptor）。施體原子帶來的價電子（valence electrons）大多會與被摻雜的材料原子產生共價鍵，進而被束縛。而沒有和被摻雜材料原子產生共價鍵的電子則會被施體原子微弱地束縛住，這個電子又稱為施體電子。和本質半導體的價電子比起來，施體電子躍遷至傳導帶所需的能量較低，比較容易在半導體材料的晶格中移動，產生電流。雖然施體電子獲得能量會躍遷至傳導帶，但并不會和本質半導體一樣留下一個電洞，施體原子在失去了電子后只會固定在半導體材料的晶格中。因此這種因為摻雜而獲得多余電子提供傳導的半導體稱為n型半導體（n-type semiconductor），n代表帶負電荷的電子。
　　和施體相對的，受體原子進入半導體晶格后，因為其價電子數目比半導體原子的價電子數量少，等效上會帶來一個的空位，這個多出的空位即可視為電洞。受體摻雜后的半導體稱為p型半導體（p-type semiconductor），p代表帶正電荷的電洞。
　　以一個硅的本質半導體來說明摻雜的影響。硅有四個價電子，常用于硅的摻雜物有三價與五價的元素。當只有三個價電子的三價元素如硼（boron）摻雜至硅半導體中時，硼扮演的即是受體的角色，摻雜了硼的硅半導體就是p型半導體。反過來說，如果五價元素如磷（phosphorus）摻雜至硅半導體時，磷扮演施體的角色，摻雜磷的硅半導體成為n型半導體。
　　一個半導體材料有可能先后摻雜施體與受體，而如何決定此外質半導體為n型或p型必須視摻雜后的半導體中，受體帶來的電洞濃度較高或是施體帶來的電子濃度較高，亦即何者為此外質半導體的“多數載子”（majority carrier）。和多數載子相對的是少數載子（minority carrier）。對于半導體元件的操作原理分析而言，少數載子在半導體中的行為有著非常重要的地位。
　　半導體載子濃度
　　摻雜物濃度對于半導體最直接的影響在于其載子濃度。在熱平衡的狀態下，一個未經摻雜的本質半導體，電子與電洞的濃度相等，如下列公式所示：
　　n = p = ni 其中n是半導體內的電子濃度、p則是半導體的電洞濃度，ni則是本質半導體的載子濃度。ni會隨著材料或溫度的不同而改變。對于室溫下的硅而言，ni大約是1×10 cm。
　　通常摻雜濃度越高，半導體的導電性就會變得越好，原因是能進入傳導帶的電子數量會隨著摻雜濃度提高而增加。摻雜濃度非常高的半導體會因為導電性接近金屬而被廣泛應用在今日的集成電路制程來取代部份金屬。高摻雜濃度通常會在n或是p后面附加一上標的“+”號，例如n 代表摻雜濃度非常高的n型半導體，反之例如p 則代表輕摻雜的p型半導體。需要特別說明的是即使摻雜濃度已經高到讓半導體“退化”（degenerate）為導體，摻雜物的濃度和原本的半導體原子濃度比起來還是差距非常大。以一個有晶格結構的硅本質半導體而言，原子濃度大約是5×10 cm，而一般集成電路制程里的摻雜濃度約在10 cm至10 cm之間。摻雜濃度在10 cm以上的半導體在室溫下通常就會被視為是一個“簡并半導體”（degenerated semiconductor）。重摻雜的半導體中，摻雜物和半導體原子的濃度比約是千分之一，而輕摻雜則可能會到十億分之一的比例。在半導體制程中，摻雜濃度都會依照所制造出元件的需求量身打造，以合于使用者的需求。
　　摻雜對半導體結構的影響
　　摻雜之后的半導體能帶會有所改變。依照摻雜物的不同，本質半導體的能隙之間會出現不同的能階。施體原子會在靠近傳導帶的地方產生一個新的能階，而受體原子則是在靠近價帶的地方產生新的能階。假設摻雜硼原子進入硅，則因為硼的能階到硅的價帶之間僅有0.045電子伏特，遠小于硅本身的能隙1.12電子伏特，所以在室溫下就可以使摻雜到硅里的硼原子完全解離化（ionize）。
　　摻雜物對于能帶結構的另一個重大影響是改變了費米能階的位置。在熱平衡的狀態下費米能階依然會保持定值，這個特性會引出很多其他有用的電特性。舉例來說，一個p-n接面（p-n junction）的能帶會彎折，起因是原本p型半導體和n型半導體的費米能階位置各不相同，但是形成p-n接面后其費米能階必須保持在同樣的高度，造成無論是p型或是n型半導體的傳導帶或價帶都會被彎曲以配合接面處的能帶差異。
　　上述的效應可以用能帶圖（band diagram）來解釋，。在能帶圖里橫軸代表位置，縱軸則是能量。圖中也有費米能階，半導體的本質費米能階（intrinsic Fermi level）通常以Ei來表示。在解釋半導體元件的行為時，能帶圖是非常有用的工具。
　　半導體材料的制造
　　為了滿足量產上的需求，半導體的電性必須是可預測并且穩定的，因此包括摻雜物的純度以及半導體晶格結構的品質都必須嚴格要求。常見的品質問題包括晶格的錯位（dislocation）、雙晶面（twins），或是堆棧錯誤（stacking fault）都會影響半導體材料的特性。對于一個半導體元件而言，材料晶格的缺陷通常是影響元件性能的主因。
　　目前用來成長高純度單晶半導體材料最常見的方法稱為裘可拉斯基制程（Czochralski process）。這種制程將一個單晶的晶種（seed）放入溶解的同材質液體中，再以旋轉的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時，溶質將會沿著固體和液體的接口固化，而旋轉則可讓溶質的溫度均勻。
[編輯本段]半導體歷史
　　半導體的發現實際上可以追溯到很久以前，
　　1833年，英國巴拉迪最先發現硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，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著溫度的上升而降低。這是半導體現象的首次發現。
　　不久， 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，這就是后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征。
　　在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。
　　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年以前就先后被發現了，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。
　　很多人會疑問，為什么半導體被認可需要這么多年呢？主要原因是當時的材料不純。沒有好的材料，很多與材料相關的問題就難以說清楚。
　　半導體于室溫時電導率約在10ˉ10～10000/Ω·cm之間，純凈的半導體溫度升高時電導率按指數上升。半導體材料有很多種，按化學成分可分為元素半導體和化合物半導體兩大類。除上述晶態半導體外，還有非晶態的有機物半導體等和本征半導體。
半導體應用
　　最早的實用“半導體”是「電晶體（Transistor）/ 二極體（Diode）」。
　　一、在 無?電收音機（Radio）及 電視機（Television）中，作為“訊號放大器 /整流器”用。
　　二、近來發展「太陽能（Solar Power）」，也用在「光電池（Solar Cell）」中。
　　三、半導體可以用來測量溫度，測溫范圍可以達到生產、生活、醫療衛生、科研教學等應用的70%的領域，有較高的準確度和穩定性，分辨率可達0.1℃，甚至達到0.01℃也不是不可能，線性度0.2%，測溫范圍-100~+300℃，是性價比極高的一種測溫元件。
半導體行業的發展
　　世界半導體行業巨頭紛紛到國內投資，整個半導體行業快速發展，這也要求材料業要跟上半導體行業發展的步伐半導體的英文及解釋
　　Semiconductor
　　A semiconductor is a material with an electrical conductivity that is intermediate between that of an insulator and a conductor. A semiconductor behaves as an insulator at very low temperature, and has an appreciable electrical conductivity at room temperature although much lower conductivity than a conductor. Commonly used semiconducting materials are silicon, germanium, and gallium arsenide.
　　半導體專業網站
　　http://www.semibest.com 半導體百事通網