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什么是半导体？
时间： 16:40:18&&来源：资料室 & &作者：& &编号:&&更新854
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什么叫半导体？
&物质若以导电性来区分，大致上可归类为导体或绝缘体两种，一般所称的导体即金属，其导电性会随着温度升高而减弱，也就是说电阻会随着温度升高而增大，在1833年，电子学之父法拉第发现了硫化银的电阻与金属不同，随着温度的上升，它的电阻反而降低，即导电性增强，这是人类首次发现异于导体特性的物质，或者是说&非导体&或&非绝缘体&，这一类物质就是所谓的半导体，其导电性比导体小很多，但却又比绝缘体好。随着科学的逐步发展，半导体也渐渐展露头角，进而引领二十世纪的科技。
&最常见的半导体材料，就是地表含量最多的硅(Si)，硅原子本身具有四个价电子，分别位在sp3的四个轨域中，由于每个轨域需拥有2个电子，以形成八隅体的稳定状态，正好在纯硅中，每个硅原子都与四个硅原子相邻，并且与这四个外围硅原子共享轨域，形成硅原子间的共价结构，如上图(a)所示，此种共价结果相当稳定，不存在自由电子，也因此纯硅的导电性极差。
&但是，如果我们在纯硅中掺入少许的砷(As)或磷(P)，每个砷或磷原子会取代某个硅原子，仍与四个硅原子相邻，需要四个电子以形成四个共价键，由于砷或磷原子的最外层有五个电子，却只与硅共享四个电子，因而多出了一个可自由活动的电子，也就是自由电子，这种架构就是所谓的n型半导体，如上图(b)所示。如果我们在纯硅中掺入少许的硼(B)，就反而少了一个电子，而形成一个电洞，这样就形成p型半导体，如上图(c)所示。此时若在硅晶两端加电压，就能使电子产生自由移动而显著地增加其导电性。
&半导体的重要性，已使得电子、光学和能量工业等都产生重大改进.
&IC芯片就是所谓的芯片，它是目前最为大家所熟悉的科技名词，人类的生活质量也因为IC芯片的开发，受到巨幅的改善，平日触目所见的手机、计算机、数字相机、汽车、&等等，都必须利用到IC芯片，底下就来谈谈IC芯片的发展及影响。
&谈到IC芯片，就必须介绍二十世纪最重要的发明─晶体管(transister)，这是日，由美国贝尔实验室之萧克利(Shockley)、巴丁(Bardeen)、布拉顿(Brattain)等三位科学家所开发出来的，是具有放大电流效果的固态三极体电子组件，属于点接触式晶体管，这项成果于1948年六月才正式发表，三人后来在1956年也因晶体管的发明获颁诺贝尔物理奖。
&事实上，在研发晶体管的时代，有一项科技正蓬勃地展开，那就是建构自动计算的电子计算器，当时的电子计算器是采用0与1的代数运算，为了表达0与1的符号，乃采用快速的开关组件─真空管。
&真空管是具有三个电极的组件(如图所示)，在负极加热以产生电子，若在栅极施加电压，则电子受到阻力无法到达正极，此时真空管是处在&关&的状态，反之，若除去栅极上的电压，则阻力消失，管内产生电子流冲向正极，此时真空管是处在&开&的状态。在1940年代初期，电子计算器开始出现，利用真空管的&开&与&关&当作&0&与&1&，或者是&1&与&0&，来进行数值计算，其中英国的&Colossus&咸信是世界上第一台电子计算器，共享了2500个真空管，其目的是为了破解德国纳粹的通讯密码；当时在美国也为了军事用途，制造了具有计算积分能力的&ENIAC&，，所使用的真空管约两万个，除了体积庞大及价格昂贵外，所消耗的功率更是吓人，不过&ENIAC&的主要缺点还不是这些，而是真空管的寿命，通常一个真空管约可使用三千小时，将近四个月，乍听之下，似乎还算正常，但是以机率来看，四个月必须汰换两万个真空管，平均起来，约10分钟就会烧坏一个，也就是说可能十几分钟就要从两万个酷似的真空管中，去寻找出那一个是烧毁的，光想到这件事就令人感到沮丧，幸好不到几年的光景晶体管就诞生了。由于晶体管的体积小，消耗功率低，且量产容易，成本低廉，更重要的是它的寿命几乎是无限的，所以一出现后，就取代真空管，成为最重要的开关组件。
&事实上，晶体管也可以当作讯号或功率放大器来使用，但是底下只着重在开关功能的应用。关于第一个晶体管的构想，事实上是萧克利提出的，但理论的问题却是由巴丁加以解决才获得成功，为了争一口气，不服输的萧克利于是闭关苦思，尝试解决原点接触式晶体管的缺点─质量难以掌控，经过一个月的努力，终于在1948年开发出质量相当稳定的接面式晶体管（BJT），由于生产技术不难，旋即成为瞩目的焦点及当时半导体组件的主流。后来萧克利离开贝尔实验室，在加州湾区开创第一家半导体公司，引起了风起云涌的硅谷盛事。
&接面式晶体管有n-p-n及p-n-p两型，以n-p-n型来做说明，如上图所示，共分三层，中间层为p型半导体，载子为电洞，另外两层都是n型半导体，载子为电子，这三层并不是用三块不同的半导体黏合而成，而是在同一块的Si材料中，掺入少许的三价原子，在中间基极形成p型半导体，而在两边掺入少许的五价原子，形成n型半导体，分别当作射极与集极。
&使用时将集极与射极分别接上电源1的正负极，先假设电源2为断路，则在电源1正负极的作用下，电子由负极出发，穿越晶体管，再回到正极，形成电子流，应注意的是并非所有的电子都能顺利回到正极，在穿过基极时，会有少数的电子被其中的电洞捕捉住，而停滞不前，成为射极中电子的前进障碍，一旦基极累积了过多的电子，造成后来的电子无法再前进时，电子流便会消失，使得晶体管即呈现出关闭的状态；若想要再度形成射集与集极间的电子流，必须随时清除基极中所累积的电子，解决的方式是在基极与射极间接上电源2，其电压值不大，在基极与射极间形成较小的正负极作用，以产生小的电子流，将累积在基极上的少数电子不断清除，让电子顺利通过基极，形成导通的状态。显然地，经由基极上电压的控制，晶体管可具有开关的功能，成为比真空管更经济与实用的开关组件。
&晶体管除了接面式晶体管外，还有场效型晶体管（FET），场效型的观念早在1930年便申请到专利，但是在开发上并不顺利，一直到1960年，才由柯恩(D．Kahng)及阿塔拉(M．Atala)设计出来，由于他们所利用的是金属-氧化物-半导体(简称金氧半)的闸极结构，所以称为金氧半场效晶体管(MOSFET, metal-oxide- semiconductor field-effect transistor)。由于金氧半场效晶体管的体积大幅缩小，加上具备低耗电量、高稳定性、容易量产等优势，因此在微电子的应用领域中，后来居上，在产量及用途上都一枝独秀，远远超过其它的电子组件。
&金氧半场效晶体管的结构如上图所示，为n-p-n型半导体，分为源极、闸极与漏极，与接面式晶体管相似，所不同者在于闸极的厚度宽大，且上面覆盖一层氧化物SiO2，当作绝缘体，使用时将漏极与源极分别接上电源1的正负极，先假设电源2为断路，则在电源1正负极的作用下，电子由负极出发，沿着上层穿越晶体管，再回到正极，形成电子流，同样地，在穿过闸极时，电子会被其中的电洞捕捉住，成为电子前进的障碍，最后导致电子流消失，晶体管呈现关闭的状态；为了避免电洞的捕捉效应，在源极与闸极间接上电源2，此时闸极上的正极将p型半导体的电洞推向底部，让闸极上层形成电子的无障碍信道，又由于氧化物的隔绝，电子不会自闸极流失，全部顺利进入漏极，形成导通的状态。显然地，经由闸极上电压的控制，晶体管是具有开关功能的组件。
&两种晶体管在不同的应用上各有优缺点，当要求高操作速率时，通常考虑使用接面式晶体管，而当要求高密度的集成电路制造时，金氧半晶体管才是较佳的选择，因为它是采平面的配置方式，所以制作容易，成本较低，加上可以紧密排列，使体积大幅缩小，目前制作IC芯片时，都是以金氧半晶体管为主要技术。
&事实上，在IC芯片的优势中，最吸引人的就是体积不断缩小，摩尔(Gordon Moore)在1964年曾预言芯片上的晶体管数目每年都会加倍，这就是有名的&摩尔定律&，当然这个预言只是在初期时有效，不可能一直持续，所以人们也开始注意必须要经过多少年，摩尔定律才会逐渐失效？由下图中的统计图，可以看出在1980年代的中期之前，由晶体管个数小于50个的小型集成电路(SSI)，到中型集成电路(MSI)，再进展至大规模集成电路(LSI)，摩尔定律仍算吻合；但是自1980年代后期至今，由大规模集成电路(LSI)，已经进展至晶体管个数超过10万个的超大规模集成电路(VLSI)，目前甚至再朝晶体管个数将近数百万个的极大规模集成电路(ULSI)发展，可是在三十年内只有大约成长了100倍，每年倍增的趋势早已和缓，换句话说，摩尔定律不再适用。到底是什么因素限制了摩尔定律？到底芯片的密度到底可以缩到多小？虽然这些是相当重要的问题，值得做进一步的探索，但是属于非常专业的领域，所以这里不再做进一步的说明，留待有兴趣的同学自已去研究。目前的科技已经进入次微米时代，并且向奈米技术迈进，晶体管个数超过十亿个的集成电路将不再是难事。
网友[匿名]评论：零电阻的作用是什么啊 ,谁能帮俺解释?— 21:12:50发表
&看不清楚,点击刷新
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收音机为啥叫做“半导体”？
12-10-18 & 发布
收音机不能说成半导体，因该贴切的称为半导体收音机。一个组成某个电子部件的物质“半导体”让我简略慨要的补充说一说：半导体是在常温之下导电性能介于导体与绝缘体之间的一种物质，例如锗，硅和硒等。物质存在于多样式，固体，液体甚至气体等等。通常我们把导电性能差的物质称为绝缘体，如木板，胶木，陶瓷，朔料和玻璃等。而良好的导体则有金，银，铜，铝和铁之类。良好导体也分优和次优的，这要看有关材质的欧姆值而定。例如铜的内阻值低于铁的大约5.8倍，因此铜属优良导体，铁则次优导体。之所以被称为半导体是因为对某些物质施加一定数额的电压则能导通而变成导体，当电压消失的时候则又不能导通而变为不导体，诸如锗，硅和硒便是具有这种特性的物质。介于导体与绝缘体两者之间的关系，因此，具备这种特性的物质便被称为半导体。
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化合物半导体
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化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，即是指由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。包括晶态无机化合物[1](如III-V族、II-VI族化合物半导体)及其固溶体、非晶态无机化合物(如玻璃半导体)、有机化合物(如有机半导体)和氧化物半导体等。通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体。
化合物半导体简介
semiconductorchemistry （compound semiconductor ）
研究半导体材料的制备、分析以及半导体器件和集成电路生产工艺中的特殊化学问题的化学分支学科。
通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，即是指由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。包括晶态无机化合物[1](如III-V族、II-VI族化合物半导体)及其固溶体、非晶态无机化合物(如玻璃半导体)、有机化合物(如有机半导体)和氧化物半导体等。通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体。主要是二元化合物如：砷化镓、磷化铟、硫化镉、碲化铋、氧化亚铜等，其次是二元和多元化合物，如镓铝砷、铟镓砷磷、磷砷化镓、硒铟化铜及某些稀土化合物(如SeN、YN、La2S3等)。多采用布里奇曼法(由熔体生长单晶的一种方法)、液封直拉法、垂直梯度凝固法制备化合物半导体单晶，用外延法、化学气相沉积法等制备它们的薄膜和超薄层微结构化合物材料。用于制备光电子器件、超高速微电子器件和微波器件等方面。
化合物半导体种类
半导体材料的种类繁多，从单质到化合物，从无机物到有机物，从单晶体到非晶体，都可以作为半导体材料。根据材料的化学组成和结构，可以将半导体划分为：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）；二元化合物半导体，如砷化镓(GaAs)、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体(又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等。
化合物半导体发展
半导体化学是在1948年发明晶体管之后逐渐形成的，是一门交叉学科，涉及到无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、高分子化学、晶体化学、配位化学和放射化学等许多领域的理论和内容。半导体化学的研究对象主要是高纯物质，在半导体技术中，随着半导体朝高频、大功率、高集成化方向发展，对半导体材料以及在制作半导体器件、集成电路过程中所用的各种试剂的纯度，提出了越来越高的要求，有害杂质含量不超过10-6%～10-8%，有的甚至要求杂质含量10-9%～10-10%。
化合物半导体学的内容化
半导体化学的内容可以概括为：①硅、锗、砷化镓等半导体材料的物理化学性质及其提纯精制的化学原理，完整单晶体的制取、完整单晶层的生长以及微量杂质有控制地掺入方法。②半导体器件和集成电路制造技术如清洗、氧化、外延、制版、光刻、腐蚀、扩散等主要工艺过程及化学反应原理。③半导体器件及集成电路制造工艺中所用掺杂材料、化学试剂、高纯气体、高纯水的化学性质、制备原理及纯度标准。④超纯物质分析及结构鉴定方法，如质谱分析、放射化分析、红外光谱分析等。
化合物半导体应用
20世纪50年代，半导体器件的生产主要采用锗单晶材料，到了60年代，由于硅单晶材料的性能远远超过锗，因而半导体硅得到了广泛的应用，在半导体材料中硅已经占据主导地位。大规模集成电路的制造都是以硅单晶材料为主的，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体如砷化镓、磷化镓、锑化铟等也越来越受到人们的重视，特别是砷化镓具有硅、锗所不具备的能在高温度频下工作的优良特性，它还有更大的禁带宽度和电子迁移率，适合于制造微波体效应器件、高效红外发光二极管和半导体激光器，因而砷化镓是一种很有发展前途的半导体材料。随着大规模集成电路制造工艺水平的提高，半导体化学的研究领域和对象也将不断地扩展。