半導體材料擁有特有的電效能和物理效能，這些效能使得半導體器件和電路具有獨特的功能。這裡將這些效能與原子的基本效能、固體、本徵半導體和摻雜半導體的電效能，一同進行分析。
要想理解半導體材料就必須了解原子結構的基本知識。
2.1 原子結構
2.1.1 玻爾原子
原子是自然界的基本構造單元。自然界中的任何事物都是由96種穩定元素和12種不穩定元素組成的。
每一種元素都有不同的原子結構，不同的結構決定了元素的不同特性。
例如：**的特性是由**的原子結構決定的。如果一塊**不斷地被分割而變小，那麼最終會留下一小塊，依然能呈現出**的特性，這一小塊就是原子。
進一步分下去，就會產生構成每個原子的三個部分，它們被稱做亞原子粒子，也就是質子、中子和電子。
原子 = 質子 + 中子 + 電子
這些亞原子粒子各有其特性。要組成金原子就要求這些亞原子粒子有特定的組合和結構。
著名物理學家尼爾斯·玻爾最早把原子的基本結構用於解釋不同元素的不同物理、化學和電效能。
玻爾的原子模型
在玻爾的原子模型中，帶正電的質子和不帶電的中子集中在原子核中，帶負電的電子圍繞原子核在固定的軌道上運動。
注：中子是中性不帶電的粒子，與質子一起構成原子核。
帶正電的質子和帶負電的電子之間存在著吸引力，不過吸引力和電子在軌道上執行的離心力相抵，這樣一來原子結構就穩定了。
每個軌道容納的電子數量是有限的。
在有些原子中，不是所有的位置都會被電子填滿，這樣結構中就留下乙個「空穴」。
當乙個特定的電子軌道被填滿後，其餘的電子就必須填充到下乙個外層軌道上。
2.2 元素週期表
不同的元素，其原子中的電子、質子和中子數是不同的。
原子結構的第一條規則。
在任何原子中都有數量相等的質子和電子。
任何元素都包括特定數目的質子，沒有任何兩種元素有相同數目的質子。
可以按質子數（或電子數）對自然界的原子進行排序。
從最簡單的氫原子（有乙個電子）到最複雜的鐒原子（有103個電子）。
注：氫原子只包括乙個原子核中的質子和乙個電子。
因此，人們對每種元素指定特定的序數，「原子序數」就等於原子中質子的數目（也就是電子的數目）。這樣就得到了「元素週期表」。
元素週期表
元素週期表中每種元素都有乙個方格，內有兩個字母。原子序數就在方格的左上角。
鈉（na）的原子序數為11，所以我們立即知道鈉原子核中有11個質子，軌道系統上有11個電子。
下圖說明了1號元素氫，3號元素鋰和11號元素鈉的原子結構圖。
氫、鋰和鈉的原子結構
在建立這些結構圖時，電子在合適的軌道上有如下的分布規則：每個軌道（ n ）只能容納 2n2個電子。
因此，1號軌道只能容納2個電子；第2個軌道的電子數受該規則限制最多有8個；第3軌道的電子數最多有18個。
例如，在建立有11個質子和電子的鈉原子的結構圖時，開始的兩個軌道容納了10個電子，第11個電子就留在第3個軌道上。
這3個原子：氫、鋰、鈉有乙個共性，每種原子的最外層都只有1個電子，這顯示出元素的另外乙個可觀察到的事實。
有相同最外層電子數的元素有著相似的性質。
這個規則反映在元素週期表中，是以豎列的形式排列。例如，氫、鋰和鈉都出現在標著羅馬數字 i 的豎列中，這個豎列數就代表最外層的電子數。
因此，每一列的元素都有著相似的性質。
最外層被填滿或者擁有8個電子的元素是穩定的，這些原子在化學性質上要比最外層未填滿的原子更穩定。
原子會試圖與其他原子結合，而形成穩定的條件 — 各軌道被填滿或者最外層有8個電子。
在後面的 2.6 節「摻雜半導體」這一節所闡述的，規則 4 和規則 5 影響著 n 型和 p 型半導體材料的形成。
三種最好的電導體分別為銅、銀、金
它們出現在元素週期表中處於同一列。
三種最好的電導體銅、銀、金
2.3 電傳導
材料的導電性
很多材料的乙個重要的特性就是導電或支援電流。電流其實就是電子的流動。
如果元素或者材料中的質子對外層電子的束縛相對較弱，電傳導就可以進行。在這樣的材料中，這些電子可以很容易地流動和建立電流，這種情況存在於大多數金屬中。
導電率材料的導電性用乙個叫做導電率的因素來衡量。
導電率越高，材料的導電性越好。導電能力也用導電率的倒數，即電阻率來衡量。
顯然，材料的電阻率越低，相應導電能力也越好。
2.4 絕緣體和電容器
絕緣體有些材料中表現出原子核對軌道電子的強大束縛，直接的效果就是對電子移動有很大的阻礙，這些材料就是絕緣體。
它們有很低的導電率和很高的電阻率。
在電子電路和電子產品中，二氧化矽 sio2可作為絕緣體。
電容把一層絕緣材料夾在兩個導體之間就形成了一種電子元件，即電容。
在半導體結構中，mos柵結構，被絕緣層隔開的金屬層和矽基體之間和其他結構中都存在電容。
這裡電容的實際效用就是儲存電荷。電容在儲存器中用於資訊儲存，消除在導體和矽表面壘集的不利電荷，並且形成場效應電晶體中的工作器件。
半導體薄膜的電容與其面積、厚度，以及乙個特性指數（即絕緣常數）有關。
c = 電容k = 材料的絕緣常數；
e0 = 自由空間的介電常數；
a = 電容的面積； t = 絕緣材料的厚度.
電阻與導電率（或電阻率）相關的乙個重要因素就是特定體積材料的電阻。電阻是由歐姆來衡量，即單位是歐姆 。
電阻與所用的是材料和尺寸有關。
長方形棒的電阻
如上公式定義了特定材料、特定體積下電阻的大小。
在電子系統中，通過減小材料的電阻（例如，增大材料的橫截面、縮短部件的長度），來增強電流。
2.5 本徵半導體
半導體材料，顧名思義就是本身就有一些天然的導電能力的材料。
有兩種半導體元素 —— 矽和鍺，在元素週期表中位於第4列（如下圖所示）。
半導體材料
另外，還有好幾十種化合物材料（化合物就是兩個或更多元素化合的材料）也表現出半導體的特性。
這些化合物源自元素週期表中第3列和第4列的元素，如砷化鎵和磷化鎵。
其他化合物源自元素週期表中第2列和第6列的元素。
本徵這個術語指的是材料處於純淨的狀態而不是摻雜了雜質或其他物質。
2.6 摻雜半導體
半導體材料在其本徵狀態是不能用於固態元件的。但是通過一種叫做摻雜的工藝，可以把特定的元素引入到本徵半導體材料中。這些元素可以提高本徵半導體的導電性。
摻雜的材料表現出兩種獨特的特性，它們是固態器件的基礎。這兩種特性是：
（1）通過摻雜精確控制電阻率；
（2）電子和空穴導電。
2.7 摻雜半導體的電阻率
金屬導電率的範圍在每歐姆·厘公尺 104 106之間，該範圍是通過對各種金屬進行測試得到的。
對固定體積的金屬, 其電阻率是確定的。如果想要改變電阻的大小，惟一的方法是改變金屬的形狀。
半導體材料的電阻率
對具有半導體特性的材料，它的電阻率是可以改變的，其電阻率的範圍可以通過摻雜擴充套件到 10-3 103 之間。
即半導體材料可以摻雜一些元素，以達到乙個有用的電阻率範圍，這種材料或者是多電子（n型）或者是多空穴（p型）。
例子：矽的摻雜。下圖說明了摻雜程度與矽的電阻率之間的關係。
矽的電阻率與摻雜（載流子）的濃度
把材料中的電子或空穴叫做載流子。縱座標為載流子濃度。
圖中有兩條曲線：n型與p型。這是因為在材料中移動乙個電子或空穴所需的能量是不同的。如圖所示，在矽中要達到指定的電阻率，n 型所需摻雜的濃度要比 p 型小。
此外，該圖還說明了如下現象：移動乙個電子比移動乙個空穴所需的能量要小。
總結。一般地，只需 0.000001％ 到 0.1％的摻雜物，就可以使半導體達到有用的電阻率範圍。半導體的這一特性允許在材料中建立出非常精確的電阻率區域。
2.8 電子和空穴傳導
金屬傳導的另乙個限制就是它只能通過電子的移動來導電。金屬永遠是n型的。
通過摻雜特定的摻雜元素，半導體可以成為 n 型或者 p 型。n 型和 p 型半導體可以用電子或者空穴來導電。
n型半導體的例子及特點
為理解n型半導體，下面以 p型矽為例。如下圖所示，將很少量的砷（as）摻入矽（si）中。假定混合後每乙個砷原子也被矽原子所包圍。
用砷來做 n 型摻雜的矽
使用前面「元素週期表」這一節中的規則，原子試圖通過在外層有8個電子來達到穩定。這時，砷原子表現為與其鄰近的矽原子共享 4 個電子。
但是，砷來自第 v 族，外層有 5 個電子，直接的結果是其中的 4 個電子與矽中的電子配對，最後乙個留下來。這乙個電子可以作為傳導電子。
考慮到矽晶體中每立方厘公尺中有百萬個原子，也就有很多電子可以用來導電。
此外，在矽中摻雜元素磷和銻，也會形成n型矽。
p型半導體的例子及特點
p型半導體與n型半導體類似。下面以 p型矽為例。我們使用來自元素週期表中第iii族的硼（b）來形成 p型矽。
當硼混入矽中，它也與矽原子共享電子。不過，硼只有3個外層電子，所以在外層會有1個無電子填充的位置。
這個未填充的位置就叫做空穴。
用硼來做 p 型摻雜的矽
在摻雜的半導體材料中有很多的活動：電子和空穴不停地形成。電子會被吸人未填充的空穴，從而留下乙個未填充的位置，也就是另乙個空穴。
此外，使用特定的摻雜元素在鍺和化合物半導體中也可形成 n 型和 p 型半導體。
p型和n型半導體的傳導方式
對 n 型半導體材料，當電壓加在一段半導電材料上時，就像電池一樣，負電子就移向電壓的正極。
n 型半導體材料中的電子傳導
對 p 型半導體材料，如下圖所示。
p 型半導體材料中的空穴傳導
電子會沿 t1 的方向躍入乙個空穴而移向正極。
當然，當電子離開它的位置時，也留下乙個新的空穴。當它繼續向正極移動時，會形成連續的空穴。這種效果對於用電流錶來衡量這個過程的人來說，就是該材料支援正電流，而實際上它是負電流移向相反的方向。
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