基礎知識
半導體的研究和應用，雖然歷史不長，但在科學、技術以及國民經濟中已起著十分重要的作用。在機械、冶金、化工、電子、空間技術以及國防工業等領域有著廣泛的應用，差不多國民經濟的每乙個部門都要用到半導體。半導體工業的興起，被認為是上世紀六十年與原子能同等重要的世界科學新成就。
整合度探測器靈敏度
整流元件高耐壓大功率
光電轉換率
1．絕緣體、半導體和導體
物質就其導電性質而言，可分為絕緣體、半導體和導體。
金、銀、銅、鐵、鋁等金屬，具有良好的導電性能，稱為導體。
橡膠、木材、玻璃、瑪瑙、電木等不能導電的物質，稱為絕緣體。
導電能力介於導體和絕緣體之間的材料，稱為半導體。如：矽、鍺、氧化銅、硫化鋁等。
物體的導電能力一般用材料的電阻率的大小來衡量，它的單位是歐姆．厘公尺（ω·cm）。
電阻率越小，導電能力越強，電阻率越大，導電能力越弱。
2．半導體材料的種類
半導體材料按化學成分和內部結構，大致可分為以下幾類：
●元素半導體又稱為單質半導體。
在元素週期表中介於金屬和非金屬之間的元素。
其中具有實用價值的有矽、鍺、硒。
50年代，鍺在半導體中佔主導地位，到60年代後期逐漸被矽材料取代。
用矽製造的半導體器件，耐高溫和抗輻射效能較好，因此，矽成為應用最多的一種半導體材料,目前的積體電路大多數(70%以上)是用矽材料製造的.
矽的物理化學性質：
矽是元素週期表中四族元素，自然界中含量僅次於氧，居第二。
在自然界中矽主要以二氧化矽及矽酸鹽的形式存在。
結晶形矽是一種有灰色金屬光澤的晶體，與金剛石具有類似的晶格，性質硬而脆。
元子量、原子密度、比重、本徵載流子濃度、本徵電阻率---；
矽的許多化合物及在許多化學反應中的行為與磷很相似。
矽極易與鹵素化合。
在1000℃以上與氮反應，生成氮化矽。
化學性質不活潑，在常溫下很穩定，不溶於所有的酸（包括氫氟酸）。在高溫下，化學活潑性大大增加。
●化合物半導體
化合物半導體是由兩種或兩種以上的元素化合而成的半導體材料。
多數是aⅲbⅴ型化合物,由元素週期表中ⅲ族的al、ga、in和ⅴ族的p、as、sb等合成的化合物。如砷化鎵(gaas)、銻化銦(insb)等。
應用最廣的是gaas,超高速電路、微波器件、場效電晶體等.
●氧化物半導體
許多金屬的氧化物具有半導體性質，如cu2o、cuo、zno、mgo、al2o3等。
●固溶體半導體
元素半導體或無機化合物半導體相互溶解而成的半導體材料稱為固溶體半導體。如：ge——si、gaas——gap。
●玻璃半導體
玻璃半導體是指具有半導體性質的一類玻璃。如氧化物玻璃半導體和元素玻璃半導體。
具有良好的開關和記憶特性和很強的抗輻射能力。
●有機半導體
具有碳原子的特殊電子結構並含有π電子的一類芳香族化合物半導體被統稱為有機半導體。目前尚未得到應用 。
3．半導體的導電特性
半導體之所以應用如此廣泛，源之半導體材料的特殊性質: 在不同的外界條件下,半導體的導電能力能在很大範圍內變化. 人們正是利用半導體材料的這些特殊性質，才製造出功能多樣的半導體器件。
●電阻率對溫度的反應特別靈敏
金屬:電阻率隨溫度公升高而公升高,但變化較小.如銅,溫度每公升高1℃時, 銅的電阻率僅增加0.4%左右;
半導體的電阻率對溫度反映靈敏(載流子濃度與溫度、遷移率與溫度)。
與半導體材料種類有關,同時所含雜質有關.
大致可分3個溫度區:
1)高溫區:數百℃以上,溫度越高,電阻率越低.電阻率與絕對溫度的倒數成指數關係.
例如在室溫下電阻率為50歐姆．厘公尺的矽單晶,在200℃時電阻率可降低幾千倍;
2)低溫區: 一般在- 100℃以下, 電阻率隨溫度的公升高而降低. 接近絕對零度時,電阻率變得非常大. 半導體成為絕緣體。
3)電阻率隨溫度的公升高而緩慢增加。
熱敏電阻
●雜質對電阻率的影響顯著.
金屬中含有少量雜質時,電阻率不會有明顯的變化.
在純淨的半導體中摻進微量雜質,電阻率會發生具大變化,可以在很大範圍內改變半導體材料的導電能力.
雜質對半導體的導電性能起著決定性的作用。
在室溫下,純矽的電阻率為2.14×105歐姆．厘公尺(～20萬歐姆．厘公尺),如在純矽中摻入極微量的雜質(如雜質磷),只需摻進矽原子的的十億分之一,電阻率就由2.14×105歐姆厘公尺，降到幾十歐姆厘公尺左右；如雜質磷的含量佔矽原子數的千分之一(稱之謂重摻雜材料)，其電阻率就下降到1.
4 ×10-3歐姆厘公尺。
對雜質一分為二的觀點:
生產時盡可能去除雜質,並防止沾汙;
在純的材料中有目的的摻進某種雜質,以滿足器件的要求.
●適當光照射半導體，可以使它的電阻率發生顯著改變，這種現象叫光電導.
在適當的光照射下，半導體內部因吸收了光的能量而產生新的載流子,→半導體的電阻率下降。
不同波長的光照射半導體,光被吸收而引起光電導的情況是不同的,只有波長小於一定大小的光才能引起光電導。
光子能量
對於一定的半導體材料，對不同波長的光，吸吸能力（吸收係數）是不一樣的。
矽對於波長小於1.1微公尺的光，吸收係數很大，是「不透明」的。1.1微公尺是矽的吸收限(臨界波長) 。
不同的半導體材料吸收限是不一樣的。
只有波長比臨界波長短的光才能引起光電導。
光敏電阻。
●單向導電性
不同型別半導體間接觸（構成pn結）或半導體與金屬接觸時，因電子（或空穴）濃度差而產生擴散，在接觸處形成位壘。
二極體、三極體、閘流體等整流元件
4 半導體的導電機構
●「價電子」、「共價鍵」
物質→原子組成. 原子核+電子
si:原子序數為14，它的原子核周圍有14個電子，第一層有2個，第二層8個，剩餘4個電子均在第三層，最外一層沒有排滿電子。
電子的排列：從內層排到外層
能級上電子數：2× n2 n為層數
圖最外層電子離原子核最遠,原子核對它的吸引力最小,在受到外界影響時,容易擺脫核的控制成為「自由電子」,這些最外層的電子稱為「價電子」.
最外層價電子的數目，就是該元素的價，如矽、鍺，最外層都有4個價電子，所以，稱矽鍺是4價的元素。
共價鍵結構示意圖
構成物質的原子有嚴格規律，彼此之間保持一定距離處於確定的位置上，它們之間存在著力的作用，這種作用叫做「鍵」。
以矽為例，在矽晶體裡面，二個相鄰的原子各有乙個價電子互相作用，一對價電子構成電子對，這對價電子為二個原子所共有，這些帶負電的電子對,好像 「鍊子」一樣,把二個帶正電的原子核緊緊地結合在一起。人們把原子的這種結合叫做「共價結合」。存在於二個原子之間的這種結合力，就叫做「共價鍵」。
●半導體能級、能帶
電子圍繞原子核旋轉，只能在固定的軌道層上運轉，在其它空間是不允許立足的。
不同軌道上的電子具有各不相同的能量，每層電子軌道分別對應乙個能級。離原子核較遠的電子具有較大的能量，最外層的價電子的能量最大。
能級圖：
在非單一原子的晶體中，由於原子與原子間距離很近，相鄰原子的電子相互交迭、共有，對應的電子軌道相互交迭、相互影響，所以各原子同一層軌道上的電子所具有的能量並不是相等的，與軌道對應的能級就不是單一的電子能級。這些大小不同、相差很小的能級組成該軌道對應的能帶，假若晶體有n個原子組成，則每條能帶有n個能級。
能帶的寬度由晶體性質決定的，外層電子對應的能帶較寬，內層電子對應的能帶較窄。
內層電子對應的能帶都是被電子填滿的，最外層價電子對應的能帶，有被電子填滿的，也有沒有被電子填滿的。被電子填滿的能帶，稱為「滿帶」，沒有被電子填滿的能帶，叫做「導帶」。
在滿帶和導帶之間的區域是不允許電子仃留的，這個不允許電子存在的區域叫做「禁帶寬度」，它的單位是電子伏。不同半導體，禁帶寬度是不一樣的。對同一種半導體，禁帶寬度與溫度有關。
矽的禁帶寬度為1.12電子伏，若外界給予滿帶裡的電子1.12電子伏能量，則電子可以越過禁帶「跳」到導帶，則晶體就產生導電性。
▲1電子伏特等於在強度為1伏特/厘公尺的電場中，電子順著電場方向移動1厘公尺所需的功
1電子伏特=1.6×10-12爾格
▲從能帶概念解譯半導體與絕緣體和金屬導電性能的差別：
半導體的禁帶寬度十分之幾電子伏至3～4電子伏；絕緣體的禁帶寬度一般在5～10電子伏。
金屬的導帶和滿帶重迭在一起，不存在禁帶寬度，所以即使接近絕對零度，電子在外電場作用下，仍有導電性。
●電子導電和空穴導電
本徵半導體晶體，受到溫度的影響，價電子在熱運動的激發下，克服原子的束縛力，跳出來，使共價鍵斷裂，這個電子在晶體中作無規則運動，因平均位移為零，所以並不產生電流。
如果在晶體上加上乙個電場，這些自由電子將沿著作用力的方向運動而產生電流。這種因電子產生的導電叫「電子導電」。
當電子在熱激發下跳出來，在原來形成共價鍵的原子處少了乙個電子，留下乙個空的位置，這個空位就叫「空穴」，相鄰的滿鍵上的電子可以跳到這個空位上來，而相鄰一處又出現新的空穴，結果形成了空穴在晶體內的移動，由於帶負電的電子跳出，而形成的空穴可以看成是乙個帶正電的粒子，它所帶的電荷與電子相等，但符號相反，空穴在晶體中的位移也是無規則的，因而也不產生電流。但如果加上外電場的作用，空穴就順著電場的方向移動，而產生電流，這就叫「空穴導電」。電子導電和空穴導電的方向相反，電子導電的電流方向逆著電場的方向，空穴導電的電流方向順著電場的方向。
5 n、p型半導體
本徵半導體晶體，實際上是很難獲得的。
實際的矽晶體中電子數目和空穴數目是不相等的，導電主要是由其中一種符號的電荷運動產生的。
在矽晶體中人為的摻入一定數量的某種雜質, 使其中的導電主要由一種符號的電荷運動產生.
在常溫下，矽的導電性能主要由雜質決定。
●矽中摻入少量ⅴ族元素p、as、sb，這些ⅴ族雜質取代一部分矽原子的位置，但是，因為它們外層有五個價電子，其中四個價電子與周圍矽原子形成共價鍵，多餘的乙個價電子很容易擺脫p、as、sb原子的束縛而成為可以導電的「自由」電子，使雜質原子成為帶正電的離子。所以乙個ⅴ族雜質原子，可以向半導體矽提供乙個「自由」電子，通常把這種雜質叫做「施主雜質」。當矽中摻有施主雜質時，半導體矽主要靠施主提供的電子導電，這種依靠電子導電的半導體叫做「n型半導體」。
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