半導體

半導體（semiconductor）它是一種在室溫下導電率介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。它的電導率與其中的載流子數(shù)量有關，載流子主要包括電子和空穴。純半導體，由于其能帶結(jié)構與絕緣體相似，可以激發(fā)有限數(shù)量的載流子，因此幾乎不導電。通常在半導體中摻雜雜質(zhì)，可以引入額外的電子或空穴，實現(xiàn)對半導體電導率的有效調(diào)控。

半導體的最早發(fā)現(xiàn)可以追溯到法拉第公司19世紀美國對硫化銀的研究。從那以后，人們發(fā)現(xiàn)了更多種類的半導體。常見如硒、鍺、元素半導體，如硅和氧化銅、硫化銅、砷化鎵等化合物半導體。此外，根據(jù)摻雜雜質(zhì)的類型可分為N型半導體和P型半導體。此外，它還可以根據(jù)晶體成分分為非晶半導體、固溶半導體等。由于半導體對外部環(huán)境（例如熱、光、電、磁等）的變化非常敏感，所以它具有非常豐富的特性，比如光伏、光電導和其他光電特性以及塞貝克效應、熱電特性，如珀爾帖效應和磁阻效應、霍爾效應等等?；诎雽w，可以制造集成電路所需的各種器件可以說，半導體是現(xiàn)代集成電路的基礎。此外，半導體還可以用于光伏發(fā)電、激光、制冷、傳感測量、機械加工等諸多領域。

載流子：半導體主要依靠內(nèi)部載流子導電，其載流子主要包括電子和空穴，電子和空穴是通過熱激發(fā)或光激發(fā)產(chǎn)生的。在半導體中摻雜某些雜質(zhì)會改變載流子的激發(fā)特性，因此載流子的數(shù)量取決于溫度、外部照明和摻雜雜質(zhì)等。

本征半導體：純半導體又稱本征半導體，由于載流子數(shù)量少，通常會摻雜其他元素以提高其導電性。根據(jù)雜質(zhì)的不同，可分為n型半導體和p型半導體。n型半導體是指其中的電子數(shù)遠遠多于空穴數(shù)，而P型半導體是指其中的空穴數(shù)遠遠多于電子數(shù)。

PN結(jié)：通過擴散和光刻，N型半導體和P型半導體結(jié)合在一起，形成具有單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)構，稱為PN結(jié)。PN結(jié)可分為同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)。

能帶結(jié)構：半導體的導電性與其能帶結(jié)構密切相關。能帶是指材料中的電子由于共同運動而分裂了原來的簡并電子能級，形成許多能量間隔非常小的能級，可以認為是連續(xù)的能帶。典型的半導體能帶結(jié)構如下圖所示，其中包括價電子占據(jù)的價帶、未被電子占據(jù)或部分被電子占據(jù)的導帶、不允許電子進入的禁帶。絕對零度時，價帶中的所有能級都被電子占據(jù)，也叫全帶；傳導中的所有能級都沒有被電子占據(jù)，這也被稱為空帶。

帶隙寬度通常表示為，它是決定半導體性能的一個非常重要的參數(shù)。因為全波段和空波段可以 t導電，只有半能帶結(jié)構才能導電。對于一般的半導體材料，由于其帶隙小，通過熱激發(fā)、在光或電場的作用下，價帶電子可以被激發(fā)成跨禁帶導電。絕緣體可以絕緣的原因從能帶的角度來看，它的帶隙太大了。

摻雜：半導體的摻雜特性是在半導體中引入少量的雜質(zhì)原子，從而改變其電學性質(zhì)。摻雜可以分為兩種：n型摻雜和p型摻雜。在n型摻雜中，雜質(zhì)原子通常是五價元素，如磷、砒霜等稱為施主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)的摻雜將向半導體中釋放額外的電子；在p型摻雜中，雜質(zhì)原子通常是三價元素，例如鋁、硼等，稱為受主雜質(zhì)。受主雜質(zhì)的摻雜將形成空穴，從而增加半導體的導電性。摻雜的特性還包括雜質(zhì)原子的摻雜濃度和分布。摻雜濃度是指半導體中雜質(zhì)原子的數(shù)量，它決定了半導體的導電性。雜質(zhì)原子的分布決定了半導體中電子和空穴的濃度分布，也影響著半導體的電學性質(zhì)。

電導率：半導體在絕對零度時不導電在室溫下，半導體的電阻率介于導體和絕緣體之間，其電導率強烈依賴于雜質(zhì)、溫度等因素。由于它的導電粒子是空穴和電子，半導體的電導率通常可以用下面的公式計算：其中它們分別是電子和空穴的濃度以及電子和空穴的遷移率。

發(fā)光特性：半導體的發(fā)光特性是由電子決定的-空穴對的復合過程決定了復合包括輻射復合和非輻射復合。只有輻射復合才能使半導體發(fā)光，而非輻射復合不會發(fā)光，而是將載流子復合的能量轉(zhuǎn)移到晶格中，使晶體升溫。主要的輻射復合過程包括：①—帶間躍遷是直接帶隙半導體發(fā)光的主要機制；②—電子-空穴對通過發(fā)光中心的復合是間接帶隙半導體發(fā)光的主要機制。

熱電特性：半導體具有熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的特性，也稱為熱電特性或熱電效應。包括塞貝克效應(Seebeck effect效果效果)珀耳帖效應(Pelletier   effect)湯姆遜效應(Thomson effect)塞貝克效應是指當兩個溫度不同的導體或半導體連接在一起時，會產(chǎn)生電勢差，這種電勢差稱為塞貝克電勢。半導體的塞貝克效應可用于溫差發(fā)電。珀耳帖效應當連接兩個不同的導體并施加電流時，接頭處會有吸熱或放熱。吸收或釋放的熱量稱為珀爾帖熱。基于珀耳帖效應可以制造半導體電子制冷裝置。湯姆遜效應是指當電流通過具有溫度梯度的半導體時，除了與電阻相關的焦耳熱外，半導體中還會吸收或釋放額外的一部分熱量。

其他特性

導熱特性：半導體的熱傳導是由電子的運動和晶格振動引起的(聲子)一起起作用，所以它具有低熱導率(相比金屬)強烈的溫度依賴性、對摻雜雜質(zhì)非常敏感等。

霍爾效應：半導體的霍爾效應是將通電的半導體置于與電流方向垂直的磁場中時，半導體內(nèi)部產(chǎn)生橫向電場的現(xiàn)象。半導體的霍爾效應可以用來測量載流子的遷移率和濃度。

磁阻特性：由于磁場的存在，半導體的電阻增大，稱為磁阻效應。通常，高遷移率材料的磁阻效應很明顯。利用這一特性，可以制成半導體磁阻。

壓阻效應：當半導體承受一定的壓力時，會導致半導體的電阻率發(fā)生變化，這就是所謂的壓阻效應。利用這種效應，可以制備半導體應變儀、壓敏二極管、壓敏晶體管等電子元件。

集成電路：半導體可以說是現(xiàn)代集成電路的基礎，集成電路所需的各種器件都可以基于半導體制造、如二極管、晶體管、場效應晶體管，用于電路的開關、電流電壓增益、信號功率增益等。

半導體

光伏發(fā)電：光伏發(fā)電的核心在于半導體制成的太陽能電池，而太陽能電池本質(zhì)上是一個相對較大的pn結(jié)利用pn結(jié)的內(nèi)建電場分離太陽光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對，實現(xiàn)光能到電能的轉(zhuǎn)換。

激光：半導體激光器（LD）它是一種以半導體為激發(fā)介質(zhì)的激光器。不僅效率高體積小重量輕；而且具有高穩(wěn)定性和直接調(diào)制的優(yōu)點，可以很好地與其他半導體器件集成。目前已廣泛應用于網(wǎng)絡通信光盤存儲精密測量和物料搬運等領域；對許多行業(yè)（如醫(yī)藥、軍工等）對的發(fā)展有深遠的影響。

制冷：半導體制冷系統(tǒng)利用半導體的珀耳帖效應，在其兩端形成溫差來實現(xiàn)制冷。珀爾帖效應是由兩種不同導體中載流子能量的差異引起的。當平均能量較高的電荷轉(zhuǎn)移到平均能量較低的導體時，會釋放出額外的熱量；相反，它從系統(tǒng)外部吸收熱量。在半導體器件中，由于載流子由平均能量差較大的電子和空穴組成，因此珀耳帖效應更加顯著。半導體制冷就是基于這個原理。

其他領域

傳感測量：基于半導體的特性，我們可以設計和測量各種物理量，包括溫度、磁場強度、壓力、阻力等，并具有高靈敏度、占用體積小、低成本和許多其他優(yōu)點。

機械加工：采用傳統(tǒng)技術時，由于電源脈寬較寬，機械加工如電火花加工和電解加工通常導致加工精度低和生產(chǎn)效率有限。用半導體器件構成工作電源和自動控制電路，不僅可以實現(xiàn)更精確的加工，而且具有非常靈活的調(diào)節(jié)范圍。

探傷：由可控硅組成的超聲波電源可用于各種機械探傷技術，如射線探傷、渦流探傷、超聲波探傷等。