半導體的基本原理、半導體的特性

鍺、矽、硒、砷化鎵等物體，以及許多金屬氧化物和金屬硫化物，其導電性介於導體和絕緣體之間，稱為半導體。

半導體具有一些特殊效能。 例如，半導體的電阻率與溫度的關係可以用來製造熱敏電阻（熱敏電阻）進行自動控制; 其光敏特性可用於製造用於自動控制的光敏元件，如光電管、光電管和光敏電阻等。

半導體還具有最重要的特性之一，如果將微量雜質適當地摻入純半導體物質中，其電導率將增加數百萬倍。 這一特性可用於製造各種用於不同用途的半導體器件，例如半導體二極體、電晶體等。

當半導體的一側被製成p型區域，另一側被製成n型區域時，在結附近形成具有特殊性質的薄層，通常稱為p-n結。 圖的上半部分顯示了載流子在p型半導體和n型半導體之間的介面處的擴散（用黑色箭頭表示）。 中間部分顯示了p-n結的形成過程，表示載流子的擴散大於漂移（藍色箭頭表示，紅色箭頭表示內建電場的方向）。

下部是PN結的形成。 表示擴散和漂移的動態平衡。

半導體有三個主要特點：

1.熱特性。

半導體的電阻率隨溫度變化很大。 例如，對於純鍺，濕度每公升高 10 度，其電阻率就會降低到 1 2。 溫度的細微變化可以反映在半導體電阻率的明顯變化中。

利用半導體的熱敏特性，熱敏電阻可用作溫度測量和控制系統的溫度感測元件。

值得注意的是，各種半導體器件都具有熱特性，當環境溫度發生變化時，這些特性會影響其執行的穩定性。

2.光敏性。

半導體的電阻率對光的變化很敏感。 有光時，電阻率很小; 當沒有光時，電阻率很大。 例如，常用的硫化鎘光敏電阻在沒有光線和暴露在光線下時具有數十兆歐的電阻。

電阻突然下降到幾萬歐姆，電阻值變化一千倍。 利用半導體的光敏特性，生產各種型別的光電器件，如光電二極體、光電電晶體和矽光電管。 它廣泛用於自動控制和無線電技術。

3.摻雜特性。

在純半導體中，極少量雜質元素的摻雜會導致其電阻率發生很大變化。 例如。 摻雜在純矽中。

硼的電阻率將從214,000·cm降低，即矽的導電能將增加500,000倍以上。 它是通過摻入一些特定的雜質元素，人為地精確地控制半導體的電導率，從而製造不同型別的半導體器件。 可以毫不誇張地說，幾乎所有的半導體器件都是由摻雜了特定雜質的半導體材料製成的。

1.在極低的溫度下，半導體的價帶是全帶的（見能帶理論），經過熱激發後，價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量更高的空間帶，帶內電子的存在就成為導帶，價帶中缺少電子形成帶正電的空位， 這被稱為洞。空穴傳導不是實際運動，而是等價物。

2.當電子導電時，等電荷的空穴將向相反方向移動。 它們在外部電場的作用下產生定向運動，形成巨集觀電流，分別稱為電子傳導和空穴傳導。 這種由於電子-空穴對的產生而形成的雜化傳導稱為本徵傳導。

導帶中的電子落入空穴，電子-空穴對消失，稱為復合。

3.復合過程中釋放的能量成為晶格的電磁輻射（發光）或熱振動能（加熱）。 在一定溫度下，電子-空穴對的產生和復合共存並達到動態平衡，此時半導體具有一定的載流子密度，因而具有一定的電阻率。 隨著溫度的公升高，會產生更多的電子-空穴對，載流子密度增加，電阻率降低。

半導體的作用是成為資訊處理的元件材料。 目前，世界上許多電子產品的核心單元，如電腦、手機**、數字錄音機等，都是利用半導體的電導率變化來處理資訊。 常見的半導體材料包括矽、鍺、砷化鎵等，矽是各種半導體材料中商業應用最具影響力的。

半導體也可以由元器件、積體電路等製成，這些都是電子工業中重要的基礎產品。

半導體材料、器件和積體電路的生產和科研已成為電子行業的重要組成部分。

積體電路是半導體技術發展中最活躍的領域之一，並已發展到大規模整合階段。 在幾平方公釐的矽片上可以製造數以萬計的電晶體，在矽片上可以製造出微資訊處理器，或者可以完成其他更複雜的電路功能。

積體電路的發展方向是實現更高的整合度和微功耗，使資訊處理速度達到微秒級。

微波器件半導體微波器件包括接收、控制和發射器件。 公釐波波段以下的接收裝置被廣泛使用。 在厘公尺波段，發射裝置的功率已經達到幾瓦，人們正在開發新裝置和新技術以獲得更大的輸出功率。

電子器件、半導體發光器件、成像器件和雷射器件的發展使光電器件成為乙個重要的領域。 其應用範圍主要有：光通訊、數字顯示、影象接收、光整合等。

半導體晶元的原理，現在讓我們來看看。

晶元的工作原理是：電路在半導體晶元表面精心製造，用於計算和加工。 與分立電晶體相比，積體電路有兩個主要優勢：成本和效能。

低成本是由於該晶元通過光刻技術獲取所有元件並將它們列印為乙個單元，而不是一次只製造乙個晶體純管。 高效能是由於元件快速開啟和關閉，消耗更少的能量，因為元件很小且彼此靠近。

2006年，晶元面積從幾平方公釐到350公釐不等，每公釐可以達到100萬個電晶體。 數字積體電路可以包含任何東西，包括邏輯門、觸發器、多工處理器和其他電路，範圍從幾千到數百萬不等，每平方公釐不等。 與板級整合相比，這些電路的小尺寸可實現更高的速度、更低的功耗（參見低功耗設計）並降低製造成本。

這些數字 IC 以微處理器、數字訊號處理器和微控制器為代表，以二進位方式執行並處理 1 和 0 訊號。