半導體的導電特性及其應用

趙子健

摘 要：半導體是現(xiàn)代信息化工業(yè)的基礎，可以利用半導體材料制作電子器件和集成電路，這些都是信息技術的基礎，其材料的研發(fā)和制作大大的促進了現(xiàn)代社會信息化的飛速發(fā)展。半導體的種類也多種多樣。本文將主要介紹半導體的相關基礎概念、半導體的導電特性及其應用。

關鍵詞：半導體 導體特性 導電性 PN結

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）01-0-01

引言

[1]1990年以前的半導體材料主要以硅材料為主，幾乎完全壟斷著整個電子行業(yè)。目前的很多半導體相關電子器件也主要是用硅材料制作的。硅材料相關電子器件的發(fā)展完全決定和導致了微型計算機的出現(xiàn)和發(fā)展甚至整個信息產(chǎn)業(yè)的飛躍。隨著社會信息化的發(fā)展，除了硅材料以外的砷化鎵、磷化銦、氮化鎵等半導體材料也在電子行業(yè)展露頭角，其相較硅材料的各種優(yōu)勢也逐漸被人們發(fā)現(xiàn)，當然其不足也同樣存在。

一、半導體的基本概念

從材料的導電與否可以分為導體、絕緣體和半導體。而半導體，則通常是指其導電性能在導體與絕緣體之間，其導電性可被人為控制。

原子的最外層電子受到激發(fā)，會形成自由電子，電子逃離后變成了空穴。半導體中有兩種載流子——自由電子和空穴。[2]其中半導體又分為N型半導體和P型半導體。P型半導體通常又可以稱為空穴半導體，因為其是指通過空穴導電的半導體，在純凈的晶體硅中摻入三價的原子，摻入的原子取代硅原子在晶格中的位置，會形成空穴，當然摻入的原子越多，形成的空穴則越多，導電性就會越好；N型半導體也可以稱為電子半導體，因為其是指依靠自由電子導電的半導體，在純凈的晶體硅中摻入五價原子，摻入的原子取代硅原子在晶格中的位置，會形成自由電子，當然摻入的原子越多，形成的自由電子則越多，導電性就會越好。但通常空穴的多少還取決于溫度，而自由電子的濃度取決于摻入的原子濃度。

[3]單一的P型半導體或者單一的N型半導體都僅能做電阻使用，用處都不大，通常是將二者結合在一起使用。當二者相互接觸時，其交界區(qū)域成為PN結。

二、半導體的導電特性

[4]純凈的半導體材料在溫度很低（絕對零度左右）時，價電子被束縛得很緊，內(nèi)部幾乎完全沒有電子可以移動，也就是沒有載流子可以導電，這種情況下的半導體材料的導電性接近絕緣體。但半導體材料的特別之處就是，其導電能力會隨著外加條件的改變而改變。即前面提過的導電能力可控性。

在半導體材料中摻入其他元素的原子，會形成更多的空穴或者自由電子，即會增加載流子的濃度，從而可以提高半導體材料的導電性，摻雜后的半導體材料的導電能力與摻入的原子種類、摻入的原子的數(shù)量有一定的關系，這就是半導體材料的[5]摻雜特性。隨著半導體所處的環(huán)境的溫度的升高，材料內(nèi)部會有更多的空穴或者電子被激發(fā)，即會形成更多的載流子，所以其導電能力會相應有所提升，這就是半導體材料的熱敏特性。有的半導體受到光照時，導電能力會大幅度增強，這是由于光的照射會激發(fā)材料的電子，形成自由電子和空穴，增加載流子濃度，提升材料的導電性，這就是半導體材料的光敏特性。除此之外，某些半導體材料的導電性還會隨著材料所處環(huán)境的磁場、濕度、某些氣體的濃度以及受到的壓力等不同而有所不同，這就是材料的磁敏性、濕敏性、氣敏性、壓敏性等。

在P型半導體和N型半導體形成的PN結區(qū)域，空穴和自由電子由于濃度會向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散，造成正負電荷在PN 結兩側(cè)的積累，形成電偶極層，也就是阻擋層，其電阻會是原半導體的幾十倍甚至幾百倍； [6]PN結在收到光照后會產(chǎn)生電動勢，這就是半導體材料的光生伏打特性；PN結導電具有單向性，當P型半導體的一端接正極，N型半導體一端接負極時，成為PN結正偏，這時的PN結的電阻很小，幾乎完全等效為一個閉合的開關，也稱這種情況為導通狀態(tài)；當P型半導體的一端接負極，N型半導體一端接正極時，成為PN結反偏，這時的PN結的電阻很大，當兩端電壓較大到一定程度時，PN結會被損壞。

三、半導體的應用

早期的半導體主要運用在電收音機、電視機的訊號放大器（整流器）中，如二極管。隨著半導體技術的發(fā)展，在太陽能光電池中也有涉及。現(xiàn)今的大部分電子產(chǎn)品，如計算機、移動電話或是數(shù)字錄音機當中的核心單元集成電路都和半導體有著極為密切的關聯(lián)。在顯示屏行業(yè)，如今廣泛應用于高端手機的OLED，就是利用了半導體薄膜。由于半導體熱敏、氣敏等特性，因此也被用于測量溫度，測量環(huán)境中某種氣體，如煙霧報警器和檢測某些有毒氣體的器件中，具有較高的穩(wěn)定性和準確性，[7]測溫分辨率能達0.1℃，有時甚至能達0.01℃。常常會利用某些半導體材料的環(huán)境敏感性，來制作測試器件。

結論

常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等，硅更是各種半導體材料中在商業(yè)應用上最具有影響力的一種。由于智能型手機消費者需求的增加，無線市場目前是半導體應用中成長擴大速度最快的一個領域。并且隨著智能型手機需求的增加，半導體的運用也朝著無線基地臺的普及及網(wǎng)路基本設備的方向發(fā)展。

參考文獻

[1]韓汝琦. 非晶態(tài)半導體的導電性[J]. 物理， 1979， 8（2）：0-0.

[2]周春鋒， 蘭天平， 孫強. 砷化鎵材料技術發(fā)展及需求[J]. 天津科技， 2015，42（03）：11-15.

[3]馮豐， 王軍紅. 砷化嫁晶體生長設備的發(fā)展回顧[J]. 半導體技術， 2013，38（08）：635-639.

[4]徐敏， 師如華. 超精密砷化嫁晶片拋光機的研制[[J]. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新， 2013（04）：8-10.

[5]杜裕杰. 新型電化學三維微納米結構加工研究[D]. 南昌：南昌航空大學碩士學位論文， 2013：4-5.

[7]許艷軍. 大尺寸SIC空間反射鏡離子束加工熱效應分析與抑制[J]. 紅外與激光工程， 2014，43（08）：2556-2561.

[8]劉之景， 劉晨. 光刻與等離子體刻蝕技術[J]. 物理， 1999，28（07）：45-49.