半导体是什么,做什么用的

自然界的物质按导电能力可分为导体、绝缘体和半导体三类。半导体材料是指室温下导电性介于导电材料和绝缘材料之间的一类功能材料。靠电子和空穴两种载流子实现导电，室温时电阻率一般在10-5～107欧·米之间。通常电阻率随温度升高而增大；若掺入活性杂质或用光、射线辐照，可使其电阻率有几个数量级的变化。1906年制成了碳化硅检波器。

1947年发明晶体管以后，半导体材料作为一个独立的材料领域得到了很大的发展，并成为电子工业和高技术领域中不可缺少的材料。特性和参数半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感。纯度很高的半导体材料称为本征半导体，常温下其电阻率很高，是电的不良导体。在高纯半导体材料中掺入适当杂质后，由于杂质原子提供导电载流子，使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。杂质半导体靠导带电子导电的称N型半导体，靠价带空穴导电的称P型半导体。

不同类型半导体间接触（构成PN结）或半导体与金属接触时，因电子（或空穴）浓度差而产生扩散，在接触处形成位垒，因而这类接触具有单向导电性。利用PN结的单向导电性，可以制成具有不同功能的半导体器件，如二极管、三极管、晶闸管等。

此外，半导体材料的导电性对外界条件（如热、光、电、磁等因素）的变化非常敏感，据此可以制造各种敏感元件，用于信息转换。半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度，对于非晶态半导体材料，则没有这一参数。半导体材料的特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下，其特性的量值差别。

半导体材料的种类

常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等，以硅、锗应用最广。化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。二元系化合物半导体有Ⅲ-Ⅴ族（如砷化镓、磷化镓、磷化铟等）、Ⅱ-Ⅵ族（如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等）、Ⅳ-Ⅵ族（如硫化铅、硒化铅等）、Ⅳ-Ⅳ族（如碳化硅）化合物。三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体，如镓铝砷固溶体、镓锗砷磷固溶体等。有机化合物半导体有萘、蒽、聚丙烯腈等，还处于研究阶段。

此外，还有非晶态和液态半导体材料，这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯；另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃娶精馏等，使用最多的是精馏。

由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80％的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。

水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。在单晶衬底上生长单晶薄膜称为外延。外延的方法有气相、液相、固相、分子束外延等。

工业生产使用的主要是化学气相外延，其次是液相外延。金属有机化合物气相外延和分子束外延则用于制备量子阱及超晶格等微结构。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金属等衬底上用不同类型的化学气相沉积、磁控溅射等方法制成。

半导体和绝缘体之间的差异主要来自两者的能带（band）宽度不同。绝缘体的能带比半导体宽，意即绝缘体价带中的载子必须获得比在半导体中更高的能量才能跳过能带，进入传导带中。室温下的半导体导电性有如绝缘体，只有极少数的载子具有足够的能量进入传导带。因此，对于一个在相同电场下的纯质半导体（intrinsicsemiconductor）和绝缘体会有类似的电特性，不过半导体的能带宽度小于绝缘体也意味著半导体的导电性更容易受到控制而改变。

纯质半导体的电气特性可以藉由植入杂质的过程而永久改变，这个过程通常称为“掺杂”（doping）。依照掺杂所使用的杂质不同，掺杂后的半导体原子周围可能会多出一个电子或一个电洞，而让半导体材料的导电特性变得与原本不同。如果掺杂进入半导体的杂质浓度够高，半导体也可能会表现出如同金属导体般的电性。在掺杂了不同极性杂质的半导体接面处会有一个内建电场（built-inelectricfield），内建电场和许多半导体元件的 *** 作原理息息相关。

除了藉由掺杂的过程永久改变电性外，半导体亦可因为施加于其上的电场改变而动态地变化。半导体材料也因为这样的特性，很适合用来作为电路元件，例如晶体管。晶体管属于主动式的（有源）半导体元件（activesemiconductordevices），当主动元件和被动式的（无源）半导体元件（passivesemiconductordevices）如电阻器（resistor）或是电容器（capacitor）组合起来时，可以用来设计各式各样的集成电路产品，例如微处理器。

当电子从传导带掉回价带时，减少的能量可能会以光的形式释放出来。这种过程是制造发光二极管（light-emittingdiode,LED）以及半导体激光（semiconductorlaser）的基础，在商业应用上都有举足轻重的地位。而相反地，半导体也可以吸收光子，透过光电效应而激发出在价带的电子，产生电讯号。这即是光探测器（photodetector）的来源，在光纤通讯（fiber-opticcommunications）或是太阳能电池（solarcell）的领域是最重要的元件。

半导体有可能是单一元素组成，例如硅。也可以是两种或是多种元素的化合物（compound），常见的化合物半导体有砷化镓（galliumarsenide,GaAs）或是磷化铝铟镓（aluminiumgalliumindiumphosphide,AlGaInP）等。合金（alloy）也是半导体材料的来源之一，如锗硅（silicongermanium,SiGe）或是砷化镓铝（aluminiumgalliumarsenide,AlGaAs）等。

自界物质按导电能力导体、绝缘体半导体三类半导体材料指室温导电性介于导电材料绝缘材料间类功能材料靠电空穴两种载流实现导电室温电阻率般10-5～107欧·米间通电阻率随温度升高增；若掺入性杂质或用光、射线辐照使其电阻率几数量级变化1906制碳化硅检波器

1947发明晶体管半导体材料作独立材料领域发展并电工业高技术领域缺少材料特性参数半导体材料导电性某些微量杂质极敏纯度高半导体材料称本征半导体温其电阻率高电良导体高纯半导体材料掺入适杂质由于杂质原提供导电载流使材料电阻率降低种掺杂半导体称杂质半导体杂质半导体靠导带电导电称N型半导体靠价带空穴导电称P型半导体

同类型半导体间接触（构PN结）或半导体与金属接触电（或空穴）浓度差产扩散接触处形位垒类接触具单向导电性利用PN结单向导电性制具同功能半导体器件二极管、三极管、晶闸管等

外半导体材料导电性外界条件（热、光、电、磁等素）变化非敏据制造各种敏元件用于信息转换半导体材料特性参数禁带宽度、电阻率、载流迁移率、非平衡载流寿命位错密度禁带宽度由半导体电态、原组态决定反映组种材料原价电束缚状态激发自由状态所需能量电阻率、载流迁移率反映材料导电能力非平衡载流寿命反映半导体材料外界作用（光或电场）内部载流由非平衡状态向平衡状态渡弛豫特性位错晶体见类缺陷位错密度用衡量半导体单晶材料晶格完整性程度于非晶态半导体材料则没参数半导体材料特性参数仅能反映半导体材料与其非半导体材料间差别更重要能反映各种半导体材料间甚至同种材料同情况其特性量值差别

半导体材料种类

用半导体材料元素半导体化合物半导体元素半导体由单元素制半导体材料主要硅、锗、硒等硅、锗应用广化合物半导体二元系、三元系、元系机化合物半导体二元系化合物半导体Ⅲ-Ⅴ族（砷化镓、磷化镓、磷化铟等）、Ⅱ-Ⅵ族（硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等）、Ⅳ-Ⅵ族（硫化铅、硒化铅等）、Ⅳ-Ⅳ族（碳化硅）化合物三元系元系化合物半导体主要三元元固溶体镓铝砷固溶体、镓锗砷磷固溶体等机化合物半导体萘、蒽、聚丙烯腈等处于研究阶段

外非晶态液态半导体材料类半导体与晶态半导体区别具严格周期性排列晶体结构制备同半导体器件半导体材料同形态要求包括单晶切片、磨片、抛光片、薄膜等半导体材料同形态要求应同加工工艺用半导体材料制备工艺提纯、单晶制备薄膜外延

所半导体材料都需要原料进行提纯要求纯度69高达119提纯两类类改变材料化组进行提纯称物理提纯；另类元素先变化合物进行提纯再提纯化合物原元素称化提纯物理提纯真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等使用区域精制化提纯主要电解、络合、萃娶精馏等使用精馏

由于每种都定局限性使用几种提纯相结合工艺流程获合格材料绝数半导体器件单晶片或单晶片衬底外延片作批量半导体单晶都用熔体制直拉应用广80％硅单晶、部锗单晶锑化铟单晶用产其硅单晶直径已达300毫米熔体通入磁场直拉称磁控拉晶用已产高均匀性硅单晶坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉用拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等解压较单晶悬浮区熔熔体与容器接触用高纯硅单晶

水平区熔用产锗单晶水平定向结晶主要用于制备砷化镓单晶垂直定向结晶用于制备碲化镉、砷化镓用各种产体单晶再经晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部工序提供相应晶片单晶衬底单晶薄膜称外延外延气相、液相、固相、束外延等

工业产使用主要化气相外延其液相外延金属机化合物气相外延束外延则用于制备量阱及超晶格等微结构非晶、微晶、晶薄膜玻璃、陶瓷、金属等衬底用同类型化气相沉积、磁控溅射等制

半导体绝缘体间差异主要自两者能带（band）宽度同绝缘体能带比半导体宽意即绝缘体价带载必须获比半导体更高能量才能跳能带进入传导带室温半导体导电性绝缘体极少数载具足够能量进入传导带于相同电场纯质半导体（intrinsicsemiconductor）绝缘体类似电特性半导体能带宽度于绝缘体意味著半导体导电性更容易受控制改变

纯质半导体电气特性藉由植入杂质程永久改变程通称掺杂（doping）依照掺杂所使用杂质同掺杂半导体原周围能电或电洞让半导体材料导电特性变与原本同掺杂进入半导体杂质浓度够高半导体能表现同金属导体般电性掺杂同极性杂质半导体接面处内建电场（built-inelectricfield）内建电场许半导体元件 *** 作原理息息相关

除藉由掺杂程永久改变电性外半导体亦施加于其电场改变态变化半导体材料特性适合用作电路元件例晶体管晶体管属于主式（源）半导体元件（activesemiconductordevices）主元件式（源）半导体元件（passivesemiconductordevices）电阻器（resistor）或电容器（capacitor）组合起用设计各式各集电路产品例微处理器

电传导带掉价带减少能量能光形式释放种程制造发光二极管（light-emittingdiode,LED）及半导体激光（semiconductorlaser）基础商业应用都举足轻重位相反半导体吸收光透光电效应激发价带电产电讯号即光探测器（photodetector）源光纤通讯（fiber-opticcommunications）或太阳能电池（solarcell）领域重要元件

半导体能单元素组例硅两种或种元素化合物（compound）见化合物半导体砷化镓（galliumarsenide,GaAs）或磷化铝铟镓（aluminiumgalliumindiumphosphide,AlGaInP）等合金（alloy）半导体材料源锗硅（silicongermanium,SiGe）或砷化镓铝（aluminiumgalliumarsenide,AlGaAs）等

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