半导体是什么 2711-K10C1

半导体（semiconductor）指室温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。 [24]半导体材料导电性能可通过掺杂来改变，掺杂进入本质半导体的杂质浓度与极性皆会对半导体的导电特性产生很大影响。掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是导带中的电子，掺入受主杂质的半导体，属空穴型导电。 [25]

半导体材料的发现可以追溯到19世纪。1833年，英国法拉第最先发现了硫化银半导体特有的导电现象。大约1911年，半导体这个名词被考尼白格和维斯首次使用。20世纪初期，尽管人们对半导体认识比较少，但是对半导体材料的应用研究比较活跃。20世纪50年代，为了改善晶体管特性，提高其稳定性，半导体材料的制备技术迅速发展。从20世纪80年代开始，量子线材料及其半导体量子器件的研究成为材料科学研究领域的热点，在国际上掀起了纳米科技的研究高潮。20世纪90年以后，随着通信的飞速发展、第二代半导体材料开始崭露头角。进入21世纪，以SiC、GaN、金刚石等为代表的第三代半导体材料开始初露头角。 [26]

常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。半导体按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。根据参入杂质可分为N型半导体和P型半导体。 [25]半导体的性质包括光学性质和运输性质等。 [21]半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用，如二极管就是采用半导体制作的器件基本含义

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物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。人们通常把导电性差的材料，如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体。而把导电性比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。 [1]半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。其是指一种导电性可控，范围从绝缘体到导体之间的材料。从科学技术和经济发展的角度来看，半导体影响着人们的日常工作生活，直到20世纪30年代这一材料才被学术界所认可。

发展历史

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早期发现

1833年，英国科学家电子学之父法拉第最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但法拉第发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。 [3]1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特性。 [3]1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体的第三种特性。 [3]1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第四种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。 [3]1879年，美国物理学家霍尔（Hall）发现霍尔效应。霍尔效应是指当磁场作用于导体、半导体中的载流子时，就会在薄膜中产生横向电位差的物理现象。 [18]

发展初期

20世纪初的物理学革命（相对论和量子力学）使得人们认识了微观世界（原子和分子）的性质，随后这些新的理论被成功地应用到新的领域（包括半导体），固体能带理论为半导体科技奠定了坚实的理论基础，而材料生长技术的进步为半导体科技奠定了物质基础（半导体材料要求非常纯净的基质材料，非常精准的掺杂水平）。 [11]1906年，邓伍迪发明了碳化硅检波器，从而开始了半导体在无线电方面的应用。接着发现硅、方铅矿、黄铜矿、蹄铅矿等都可作检波器。 [20]半导体这个名词大概到1911年被考尼白格和维斯首次使用。 [3]

20世纪初，科学家对半导体材料进行了大量的研究。当时所用样品材料多为硫化物、氧化物，并制成了氧化亚铜（Cu2O）整流器、硒（Se）光电池等。 [44]固体量子理论的发展，使人们对半导体中的电子态不论是作光导二极管、检波器，还是作整流器，在这个阶段，所用的半导体材料都是从自然界直接采集的，或者取自工业上的通用产品，均未经专门的提纯与晶体制备过程。 [20]1931年，兰治和伯格曼研制成功硒光伏电池。1932年，德国先后研制成功硫化铅、硒化铅和碲化铅等半导体红外探测器，在二战中用于侦探飞机和船舰。二战时盟军在半导体方面的研究也取得了很大成效，英国就利用红外探测器多次侦探到了德国的飞机。 [19]

进一步发展

1948年J.巴丁、W.H.布拉坦和W.B.肖克莱发明了晶体管，带来了现代电子学的革命，同时也促进了半导体物理、材料、器件研究的蓬勃发展。从那以后的几十年间，半导体微电子技术和半导体光电子技术已经成为现代社会的重要技术基础，引起了世界范围的信息革命，对人类文明的发展产生深远的影响。 [21]

1954年，半导体有效质量理论的提出是半导体理论的一个重大发展，它定量地描述了半导体导带和价带边附近细致的能带结构，给出了研究半导体中浅杂质（施主和受主）能级、激子能级、磁能级等的理论方法，促进了当时的回旋共振、磁光吸收、自由载流子吸收、激子光谱等实验研究。 [21]1958年，集成电路问世。1959年，赝势概念的提出，使得固体能带的计算大为简化。利用价电子态与原子核心态正交的性质，用一个赝势代替真实的原子势，得到一个固体中价电子态满足的方程。用赝势方法得到了几乎所有半导体的比较精确的能带结构。1962年，半导体激光器发明。 [21]1968年，硅MOS（金属-氧化物-半导体）器件发明及大规模集成电路实现产业化大生产。 [21]

1970年，超高真空表面能谱分析技术相继出现，开始了对半导体表面、界面物理的研究，其中包括:硅表面的7x7表面再构问题、金属与Ⅲ-V族化合物界面肖特基势垒形成起因、CoSi/硅和金属/硅界面性质、费米能级钉扎等问题。70年代初期，江崎玲於奈与R.朱基于试图人为地控制半导体中电子的势分布和波函数的设想，首次提出了半导体超晶格的新概念。与此同时，美国贝尔实验室的卓以和发明了分子束外延技术。新思想和新技术的巧妙结合，制成了第一个晶格匹配组分型的AlyGa1-xAs/GaAs超晶格，标志着半导体材料的发展开始进入人工设计的新时代。1978年，R.丁格尔等人对异质结中二维电子气沿平行于界面的输运进行了研究，发现了电子迁移率增强现象。在以后几年中，由于工艺的改进，将二维电子气的迁移率提高了近三个数量级，导致了高电子迁移率晶体管(HEMT)的出现和为量子霍尔效应的发现创造了条件。 [21]

1980年，德国的K.von克利青发现了整数量子霍尔效应，1982年，崔琦等人又在电子迁移率极高的Al，Ga1-y/GaAs异质结中发现了分数量子霍尔效应，这是半导体物理的重大发现，两个发现都获得了诺贝尔物理学奖。由于超晶格、量子阱对电子运动的限制效应，1984年，D.A.B.米勒等人观察到量子阱中激子吸收峰能量随电场强度变化发生红移的量子限制斯塔克效应，以及由激子吸收系数或折射率变化引起的激子光学非线性效应，为设计新一代光双稳器件提供了重要的依据。 [21]

1990年，英国的L.T.坎汉首次在室温下观测到多孔硅的可见光光致发光，使人们看到全硅光电子集成技术的新曙光。纳米微粒，纳米固体与纳米薄膜材料开辟了材料研究的新领域。这类包含有大量表面或界面原子的新型功能材料具有许多独特的物理、化学和力学性能，被誉为21世纪最有前途的材料。 [21]

2019年10月，一国际科研团队称与传统霍尔测量中仅获得3个参数相比，新技术在每个测试光强度下最多可获得7个参数：包括电子和空穴的迁移率；在光下的载荷子密度、重组寿命、电子、空穴和双极性类型的扩散长度。 [4]

2022年，科研人员发现立方砷化硼是科学界已知的最好的半导体之一，被称为冠军半导体。 [12]

2024年11月5日，半导体的小型化已经发展到只有头发丝直径10万分之一的“纳米”级别。 [14]同月，2024福布斯中国创新力企业50强发布，半导体类企业上海超硅、海光信息、瀚博半导体、华为海思、长鑫存储、中微公司入选。 [15]

相关术语

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电子

在电子学中，用得最多的半导体是硅和锗。它们都是4价元素。外层电子受原子核的束缚力最小，称为价电子。物质的化学性质是由最外层的价电子数决定的，半导体的导电性质也与价电子有关。由于原子之间靠得很近，这样，每个价电子个别的轨道就变成两个相邻原子之间两个价电子的公共的轨道，形成了晶体中共价键结构。共价键内的两个电子称为束缚电子。一般情况下，无外界激发，硅和锗晶体中没有自由电子存在，只有在外界激发的情况，少数电子获得一定的动能才能挣脱共价键的束缚成为自由电子。

空穴

在电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。在一般情况下，原子是电中性的。当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，原子的电中性便被破坏而显出带正电。在外电场的作用下，有空穴的原子可以吸引相邻原子中的价电子，填补这个空穴。同时，在失去了一个价电子的相邻原子的共价键中出现另一个空穴，它也可以由相邻原子中的价电子来递补，而在该原子中又出现一个空穴。如此继续下去，就好像空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反，因此，空穴运动相当于正电荷的运动。 [23]

载流子

因此，当半导体两端加上外电压时，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动所形成的电子电流；二是仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴所形成的空穴电流。在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。半导体中的自由电子和空穴都称为载流子。 [23]

能带结构

对于原子周期性排布形成的固体，即晶态固体（晶体），按照能带理论，其能带结构由一系列能带构成，相邻的能带之间由禁带隔开，在禁带所覆盖的能量内没有电子能级的存在。绝对零度时，固体中的电子按能量从低到高依次占据各个不同的能带，芯电子占满了所有低能量的一系列能带，处于满能带的芯电子紧紧束缚在各自原子核的周围，因此，在一般实验条件下不需要考虑芯电子对晶体物理性质的贡献。在芯电子能带之上的能带是价电子所在的能带，称为价带，价带之上有一系列没有电子占据的能带，称为空带。依价电子在价带中的占据情况，固体有金属和绝缘体之分，在金属的能带结构中，价电子所在的能带是未满的能带，费米能级位于这个未满的能带中；而在绝缘体的能带结构中，价电子占满了价带，而价带之上的能带是空带，费米能级位于紧靠价带顶部的带隙中。 [27]

PN结

在半导体内，由于掺杂不同，电子和空穴的密度在两类半导体中并不相同，即P型中空穴多而电子少，N型中电子多而空穴少。将P型半导体和N型半导体相互接触，会发生N型区中的电子向P型区中扩散，P型区中的空穴向N型区中扩散，结果在交界处形成正负电荷的积累，在P区的一边是负电，而在N区的一边是正电。这些电荷在交界处形成空间电荷区（电偶层或耗尽层），这一结构称为PN结，厚度通常为微米数量级。