什麼是半導體?

半導體材料的電導率值介於導體(如金屬銅)和絕緣體(如玻璃)之間。 它的電阻率隨著溫度的升高而下降; 而金屬的表現則相反。 它的導電性能可以通過在晶體結構中引入雜質(“摻雜”)的方式進行有用的改變。 當同一晶體中存在兩個不同的摻雜區域時,就會產生一個半導體結。 電荷載體(包括電子、離子和電子空穴)在這些結上的行為是二極體、晶體管和大多數現代電子產品的基礎。 半導體的一些例子是矽、鍺、砷化鎵和週期表上所謂 「金屬階梯 」附近的元素。 繼矽之後,砷化鎵是第二種最常見的半導體,用於鐳射二極管、太陽能電池、微波頻率積體電路和其他。 矽是製造大多數電子電路的一個關鍵元素。

半導體設備可以顯示出一系列有用的特性,如電流在一個方向比另一個方向更容易通過,顯示出可變電阻,以及對光或熱的敏感性。 由於半導體材料的電性能可以通過摻雜和應用電場或光來改變,由半導體製成的設備可以用於放大、開關和能量轉換。

通過添加少量(約1/108)的五價(銻、磷或砷)或三價(硼、鎵、銦)原子,可以提高矽的導電性。 這一過程被稱為摻雜,由此產生的半導體被稱為摻雜或外在半導體。 除了摻雜之外,半導體的導電性可以通過提高其溫度來改善。 這與金屬的行為相反,金屬的導電性會隨著溫度的升高而降低。

現代人對半導體特性的理解是依靠量子物理學來解釋電荷載體在晶格中的運動。 當一個摻雜的半導體含有自由空穴時,它被稱為 「p型」,而當它含有自由電子時,它被稱為 「n型」。 電子設備中使用的半導體材料是在精確的條件下摻入的,以控制p型和n型摻雜物的濃度和區域。 一個半導體器件晶體可以有許多p型和n型區域; 這些區域之間的p-n結負責有用的電子行為。 使用熱點探針,人們可以快速確定一個半導體樣品是p型還是n型。

在整個19世紀中期和20世紀的前幾十年,人們觀察到了半導體材料的一些特性。 半導體在電子領域的第一個實際應用是1904年開發的貓須檢測器,這是一種用於早期無線電接收器的原始半導體二極體。 量子物理學的發展又導致了1947年晶體管的發明,[3] 1958年積體電路的發明,以及1959年MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)的發明。