趙子健

摘 要：半導(dǎo)體是現(xiàn)代信息化工業(yè)的基礎(chǔ)，可以利用半導(dǎo)體材料制作電子器件和集成電路，這些都是信息技術(shù)的基礎(chǔ)，其材料的研發(fā)和制作大大的促進(jìn)了現(xiàn)代社會(huì)信息化的飛速發(fā)展。半導(dǎo)體的種類也多種多樣。本文將主要介紹半導(dǎo)體的相關(guān)基礎(chǔ)概念、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體 導(dǎo)體特性 導(dǎo)電性 PN結(jié)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2018）01-0-01

引言

[1]1990年以前的半導(dǎo)體材料主要以硅材料為主，幾乎完全壟斷著整個(gè)電子行業(yè)。目前的很多半導(dǎo)體相關(guān)電子器件也主要是用硅材料制作的。硅材料相關(guān)電子器件的發(fā)展完全決定和導(dǎo)致了微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展甚至整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的飛躍。隨著社會(huì)信息化的發(fā)展，除了硅材料以外的砷化鎵、磷化銦、氮化鎵等半導(dǎo)體材料也在電子行業(yè)展露頭角，其相較硅材料的各種優(yōu)勢也逐漸被人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)然其不足也同樣存在。

一、半導(dǎo)體的基本概念

從材料的導(dǎo)電與否可以分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。而半導(dǎo)體，則通常是指其導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間，其導(dǎo)電性可被人為控制。

原子的最外層電子受到激發(fā)，會(huì)形成自由電子，電子逃離后變成了空穴。半導(dǎo)體中有兩種載流子——自由電子和空穴。[2]其中半導(dǎo)體又分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體通常又可以稱為空穴半導(dǎo)體，因?yàn)槠涫侵竿ㄟ^空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體，在純凈的晶體硅中摻入三價(jià)的原子，摻入的原子取代硅原子在晶格中的位置，會(huì)形成空穴，當(dāng)然摻入的原子越多，形成的空穴則越多，導(dǎo)電性就會(huì)越好；N型半導(dǎo)體也可以稱為電子半導(dǎo)體，因?yàn)槠涫侵敢揽孔杂呻娮訉?dǎo)電的半導(dǎo)體，在純凈的晶體硅中摻入五價(jià)原子，摻入的原子取代硅原子在晶格中的位置，會(huì)形成自由電子，當(dāng)然摻入的原子越多，形成的自由電子則越多，導(dǎo)電性就會(huì)越好。但通常空穴的多少還取決于溫度，而自由電子的濃度取決于摻入的原子濃度。

[3]單一的P型半導(dǎo)體或者單一的N型半導(dǎo)體都僅能做電阻使用，用處都不大，通常是將二者結(jié)合在一起使用。當(dāng)二者相互接觸時(shí)，其交界區(qū)域成為PN結(jié)。

二、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

[4]純凈的半導(dǎo)體材料在溫度很低（絕對(duì)零度左右）時(shí)，價(jià)電子被束縛得很緊，內(nèi)部幾乎完全沒有電子可以移動(dòng)，也就是沒有載流子可以導(dǎo)電，這種情況下的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性接近絕緣體。但半導(dǎo)體材料的特別之處就是，其導(dǎo)電能力會(huì)隨著外加條件的改變而改變。即前面提過的導(dǎo)電能力可控性。

在半導(dǎo)體材料中摻入其他元素的原子，會(huì)形成更多的空穴或者自由電子，即會(huì)增加載流子的濃度，從而可以提高半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性，摻雜后的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力與摻入的原子種類、摻入的原子的數(shù)量有一定的關(guān)系，這就是半導(dǎo)體材料的[5]摻雜特性。隨著半導(dǎo)體所處的環(huán)境的溫度的升高，材料內(nèi)部會(huì)有更多的空穴或者電子被激發(fā)，即會(huì)形成更多的載流子，所以其導(dǎo)電能力會(huì)相應(yīng)有所提升，這就是半導(dǎo)體材料的熱敏特性。有的半導(dǎo)體受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力會(huì)大幅度增強(qiáng)，這是由于光的照射會(huì)激發(fā)材料的電子，形成自由電子和空穴，增加載流子濃度，提升材料的導(dǎo)電性，這就是半導(dǎo)體材料的光敏特性。除此之外，某些半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性還會(huì)隨著材料所處環(huán)境的磁場、濕度、某些氣體的濃度以及受到的壓力等不同而有所不同，這就是材料的磁敏性、濕敏性、氣敏性、壓敏性等。

在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成的PN結(jié)區(qū)域，空穴和自由電子由于濃度會(huì)向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散，造成正負(fù)電荷在PN 結(jié)兩側(cè)的積累，形成電偶極層，也就是阻擋層，其電阻會(huì)是原半導(dǎo)體的幾十倍甚至幾百倍； [6]PN結(jié)在收到光照后會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，這就是半導(dǎo)體材料的光生伏打特性；PN結(jié)導(dǎo)電具有單向性，當(dāng)P型半導(dǎo)體的一端接正極，N型半導(dǎo)體一端接負(fù)極時(shí)，成為PN結(jié)正偏，這時(shí)的PN結(jié)的電阻很小，幾乎完全等效為一個(gè)閉合的開關(guān)，也稱這種情況為導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)P型半導(dǎo)體的一端接負(fù)極，N型半導(dǎo)體一端接正極時(shí)，成為PN結(jié)反偏，這時(shí)的PN結(jié)的電阻很大，當(dāng)兩端電壓較大到一定程度時(shí)，PN結(jié)會(huì)被損壞。

三、半導(dǎo)體的應(yīng)用

早期的半導(dǎo)體主要運(yùn)用在電收音機(jī)、電視機(jī)的訊號(hào)放大器（整流器）中，如二極管。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，在太陽能光電池中也有涉及。現(xiàn)今的大部分電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話或是數(shù)字錄音機(jī)當(dāng)中的核心單元集成電路都和半導(dǎo)體有著極為密切的關(guān)聯(lián)。在顯示屏行業(yè)，如今廣泛應(yīng)用于高端手機(jī)的OLED，就是利用了半導(dǎo)體薄膜。由于半導(dǎo)體熱敏、氣敏等特性，因此也被用于測量溫度，測量環(huán)境中某種氣體，如煙霧報(bào)警器和檢測某些有毒氣體的器件中，具有較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，[7]測溫分辨率能達(dá)0.1℃，有時(shí)甚至能達(dá)0.01℃。常常會(huì)利用某些半導(dǎo)體材料的環(huán)境敏感性，來制作測試器件。

結(jié)論

常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，硅更是各種半導(dǎo)體材料中在商業(yè)應(yīng)用上最具有影響力的一種。由于智能型手機(jī)消費(fèi)者需求的增加，無線市場目前是半導(dǎo)體應(yīng)用中成長擴(kuò)大速度最快的一個(gè)領(lǐng)域。并且隨著智能型手機(jī)需求的增加，半導(dǎo)體的運(yùn)用也朝著無線基地臺(tái)的普及及網(wǎng)路基本設(shè)備的方向發(fā)展。

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