万年不变第一问：什么是半导体？

第一种常见定义来自高中物理课本。从电阻率方向理解，半导体是常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，其电阻率大约为1mΩ·cm-1GΩ·cm。

（素材来源：百度图片）

此外，还可以从其能带特性方向区分。在半导体能带中，导带充满了电子而价带却全空，两者之间还存在一个大约为1-5eV的禁带宽度。与半导体相比，绝缘体的禁带宽度大得多，而导体在价带也有一些电子。

禁带是啥？打个比方，一般情况下，禁带就是电子的禁区；只有掺了杂质、变了条件之后，禁带内才存在能级。下图为一般情况下三种材料的能带示意图。

（来源：搜狐新闻“行家说”）

要怎么理解能带呢？以Si举🌰，Si在元素周期表中排在IV族，原子序数为14，这表示Si原子核外有14个电子。那么，这些电子是怎么运动的呢？都说电子运动是无序的，可为什么电子之间不会发生严重的“交通事故”呢？

随着量子力学的发展，学者提出并验证了“电子是在一定轨道围绕原子核运动”的理论。Si原子的核外电子分别处于3种轨道，能量较低的2个电子在靠近原子核的K轨道运动，能量不高不低的8个电子则填充在了中间的轨道，其余的4个电子能量最高，在离原子核最远的M轨道运动。

（来源：搜狐新闻“行家说”）

接下来，你是不是又想问：电子运动的轨道是个啥？

（素材来源：《神奇宝贝》）

科学家测原子光谱时，发现了一个有意思的事：氢原子光谱并非一个连续谱，而是分立的。根据能量守恒定律知道，如果电子从高能级向低能级跃迁，便会发出相应波长的光。而分立的光谱只能说明一个问题：氢原子核周围电子的跃迁是在特定能级之间进行的。

随着量子力学的发展，人们提出了能描述电子层的模型。假设原子核外有n层电子层，n的取值为正整数：1、2、3、4、5、6、7，并给了这些层“代号”：K、L、M、N、O、P、Q表示。其中，n越大，电子离原子核越远，越不稳定，这个电子层的能量也越高。

通过研究发现，每个电子层所容纳的电子个数最大为2n^2个，但最外层最多只能容纳8个电子，次外层最多容纳18个。同时，这些核外电子也遵循“水往低处流”的特点，稳定状态下，只有离原子核最近、最稳定的轨道被填满之后，电子才会去填满离原子核远一点的轨道。

核外电子那么活跃，怎么可能就这么轻易的被限制在固定的轨道上？所以，电子经常会在不同轨道之间““跃迁”。当离原子核较近轨道上的电子吸收了一定能量，就会被激发，跳到更远的轨道上去；而当电子从远离原子核的轨道，向近轨道跃迁时，则会释放能量。自然界中看到的大部分发光现象，也都是由这个原理产生。

说到半导体材料的特性，不得不说：在各种材料中，半导体可是相当“渣”了。因为无论是光、电，还是热、磁，都能跟半导体材料产生互动，发生一些特殊的物理现象。

(来源：3g.xici.net）

我们在高中物理课上学过，半导体材料有光敏特性：光照射会使半导体的电阻率降低。这是因为半导体能吸收一定能量的光子，使得处于价带的电子跃迁到导带，原本全空的导带内出现了一些可以自由移动的电子，即光生载流子，电导率随即上升。

同时，半导体还有热敏的特性，在一般情况下，温度升高，没有掺杂的纯净半导体的电阻率会下降。而且，因为半导体的这个特性与金属等导体是恰好相反的，还成了它的最主要的特点之一。其原理可以用下面的公式表示：

其中，μ(p)、μ(n)分别是空穴、电子载流子的迁移率，Gc、Gv分别是假设把载流子都集中在价带顶或导带底时的状态密度。所以，随着温度升高，电子、空穴的浓度都会升高。

同时，电导率也是载流子迁移率的函数。而载流子迁移率也是温度的正相关函数。所以温度升高，电导率升高，电阻率自然就下降了。

从上世纪50年代，半导体晶体管等器件被研制成功开始，其应用市场一直不断扩大。目前，常用的半导体材料已经走过了三代。

第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗元素（Ge）等单质。虽然是第一代半导体材料，但是现在市场上仍能经常看到它们的身影：在集成电路、电子信息、消费电子、航空航天、军事工程、光伏产业等等领域，Si材料仍旧是各类芯片的基础。

（Si单晶原子结构，来源：百度图片）

第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料。最常见的是由III-V族和II-VI族元素组成的化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）、GaAsAl、GaAsP等。化合物半导体材料中，最常见的应用就是制备各种各样的光电子器件，它们在探测器、激光器、电力电子器件等领域的应用已经非常普遍，技术也相对比较成熟。

（GaAs原子结构，来源：www.qqzhi.com)

第三代半导体材料主要以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等为代表。他们拥有更宽的禁带宽度，在高频、大功率、耐高温、抗辐照等方面的性能都更优秀，因此其应用也被广泛看好。

要想了解PN结，那就必须要先简单了解半导体材料的掺杂特性。

纯净没有掺杂的半导体材料被称为“本征半导体”。但是本征半导体材料中的载流子浓度比较低，为了让半导体有更广阔的发挥空间，人类想出了向半导体材料内掺入杂质，从而有目的的改变它的一些特性。

（素材来源："代码狂魔"的简书)

Si的最外层电子数是4，所以本征半导体的晶体结构里，每个Si都有4个共价键，因此周围也都是4个价电子。一个萝卜一个坑，一个电子对应一个空位，相安无事，本征半导体的导电性也比较差。但是，当Si原子周围的原子的最外层电子不是4个时，事情就多了。

如果是掺入了五价原子，多余的一个电子形不成共价键，就成为了自由电子。这个电子解放之后，就开始参与导电的工作了。这种半导体也被称为N型半导体，掺入的杂质原子就被称为施主型杂质。

如果是掺入了三价原子，Si周围就还缺少一个电子形成共价键，就会剩下一个空穴。当然，这个空穴也能参与导电。这种半导体也被称为P型半导体，掺入的杂质原子就被称为受主型杂质。

纯净的半导体就像是一个初入社会的小白，但是有了杂质技能傍身之后，它们的特性会发生变化。就像是获得了打开了新世界的大门的钥匙，从此之后的半导体，过上了开挂的生活。

（来源：www.yeiden.com)

而当P型半导体和N型半导体碰面后，竟然擦出了神奇的火花——PN结。因为P型半导体内空穴较多，而N型半导体内电子较多，所以在二者接触面电子空穴复合后便形成一个空间电荷区，在这个区域则存在一个自建电场。

（来源：百度知道）

而当为PN结加电压时，PN结就能针对不同方向的电压给出不同的反映。

（来源：百度文库）

电子和空穴也是谨遵“异性相吸、同性相斥”这一伟大定律的。所以，当给PN结加上与内建电场方向相反的外加电压时，内建电场会被外加电压抵消，电流就能顺利流通了；而当给PN结加上与内建电场方向相同的外加电压时，本来的空间电荷区不仅没消失，还增加了一部分外加偏压，所以空间电荷区更大了，电流的流通之路就此截止。但当外加电压大到“不可理喻”，可能就会发生击穿现象了。

利用PN结“正向导通、反向截止”的单向特点，研制出了整流二极管、检波二极管和开关二极管等器件，同时，利用其击穿特性，还研制出了稳压二极管和雪崩二极管等器件。

（场效应晶体管，来源：www.lianhekj.com）

（双极型晶体管，来源：www.changan-cn.com）

（太阳能电池原理图，来源：www.51wendang.com)

事实上，几乎所有的半导体光电子器件都是以PN结为基础工作的。比如LED、激光器、探测器、太阳能电池、手机电脑等设备里边的CPU等，每一片芯片都是无数多个PN结的复杂集成。这些PN结就像是相互了解、默契满分的老同事，不停地将光、电、数字等信号来回转换，也为我们的生产生活带来莫大的便利。