什么是半导体？
半导体材料的电导率值介于金属铜等导体和玻璃等绝缘体之间。 它的电阻率随着温度的升高而下降； 金属以相反的方式表现。 通过将杂质（“掺杂”）引入晶体结构，可以以有用的方式改变其导电性能。 当同一晶体中存在两个不同掺杂的区域时，就会产生一个半导体结。 电荷载流子（包括电子、离子和电子空穴）在这些结处的行为是二极管、晶体管和大多数现代电子产品的基础。 半导体的一些例子是硅、锗、砷化镓和元素周期表上所谓的“准金属阶梯”附近的元素。 继硅之后，砷化镓是第二常见的半导体，用于激光二极管、太阳能电池、微波频率集成电路等。 硅是制造大多数电子电路的关键元素。
半导体器件可以显示一系列有用的特性，例如在一个方向上比在另一个方向上更容易通过电流、显示可变电阻以及对光或热敏感。 因为半导体材料的电性能可以通过掺杂和施加电场或光来改变，所以由半导体制成的器件可以用于放大、开关和能量转换。
大量元素和化合物具有半导体特性，包括：
- l 某些纯元素存在于元素周期表的第 14 族； 这些元素中最重要的商业元素是硅和锗。 这里有效地使用了硅和锗，因为它们的最外层有 4 个价电子，这使它们能够同时获得或失去电子。
- l 二元化合物，特别是第 13 族和第 15 族元素之间的二元化合物，例如砷化镓、第 12 和 16 族、第 14 和 16 族，以及不同第 14 族元素之间的二元化合物，例如 碳化硅。
- l 某些三元化合物、氧化物和合金。
- l 有机半导体，由有机化合物制成。
- l 半导体金属有机框架。
半导体材料
固态材料通常分为三类：绝缘体、半导体和导体。 （在低温下，一些导体、半导体和绝缘体可能变成超导体。）该图显示了与这三类中的一些重要材料相关的电导率 σ（以及相应的电阻率 ρ = 1/σ）。 熔凝石英和玻璃等绝缘体的电导率非常低，大约为 10-18 到 10-10 西门子/厘米； 铝等导体具有高电导率，通常为每厘米 104 至 106 西门子。 半导体的电导率介于这些极端之间，通常对温度、光照、磁场和微量杂质原子很敏感。 例如，每百万个硅原子添加大约 10 个硼原子（称为掺杂剂）可以将其电导率提高一千倍（部分解释了上图所示的广泛可变性）。
半导体材料的研究始于 19 世纪初。 元素半导体是由单种原子组成的半导体，例如元素周期表第 IV 列中的硅 (Si)、锗 (Ge) 和锡 (Sn)，以及元素周期表中第 VI 列中的硒 (Se) 和碲 (Te)。 然而，有许多由两种或多种元素组成的化合物半导体。 例如，砷化镓 (GaAs) 是一种二元 III-V 化合物，它是来自 III 列的镓 (Ga) 和来自 V 列的砷 (As) 的组合。三元化合物可以由来自三个不同列的元素形成—— 例如，碲化铟汞 (HgIn2Te4)，一种 II-III-VI 化合物。 它们也可以由来自两列的元素形成，例如砷化铝镓 (AlxGa1 - xAs)，它是一种三元 III-V 化合物，其中 Al 和 Ga 都来自 III 列，下标 x 与 这两种元素从 100% Al (x = 1) 到 100% Ga (x = 0)。 纯硅是集成电路应用最重要的材料，而 III-V 二元和三元化合物对发光最重要。
半导体如何工作
今天，大多数半导体芯片和晶体管都是用硅制成的。 您可能听说过“硅谷”和“硅经济”之类的说法，这就是为什么——硅是任何电子设备的核心。
二极管是最简单的半导体器件，因此如果您想了解半导体的工作原理，它是一个很好的起点。 在本文中，您将了解什么是半导体、掺杂的工作原理以及如何使用半导体制造二极管。 但首先，让我们仔细看看硅。
硅是一种非常常见的元素——例如，它是沙子和石英中的主要元素。 如果你在元素周期表中查找“硅”，你会发现它位于铝旁边，低于碳，高于锗。
碳、硅和锗（锗与硅一样，也是一种半导体）在它们的电子结构中具有独特的性质——每一种在其外轨道上都有四个电子。 这使它们能够形成漂亮的晶体。 四个电子与四个相邻原子形成完美的共价键，形成一个晶格。 在碳中，我们知道晶体形式为金刚石。 在硅中，结晶形式是一种银色的、金属外观的物质。
在硅晶格中，所有硅原子都与四个相邻原子完美结合，不会留下自由电子来传导电流。 这使得硅晶体成为绝缘体而不是导体。
金属往往是良好的电导体，因为它们通常具有可以在原子之间轻松移动的“自由电子”，而电涉及电子的流动。 虽然硅晶体看起来是金属的，但实际上它们不是金属。 硅晶体中的所有外层电子都参与了完美的共价键，因此它们不能四处移动。 纯硅晶体几乎是绝缘体——很少有电流流过它。
但是你可以通过一个叫做兴奋剂的过程来改变这一切。