半导体工作原理

1、简介　　顾名思义：常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料，叫做半导体（semiconductor）。　　物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与导体和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。半导体　　半导体的分类，按照其制造技术可以分为：集成电路器件，分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类，一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类，虽然不常用，单还是按照IC、LSI、VLSI（超大LSI）及其规模进行分类的方法。此外，还有按照其所处理的信号，可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。

3、主要特点　　半导体五大特性∶电阻率特性，导电特性，光电特性，负的电阻率温度特性，整流特性。　　在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。　　在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。　　晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。　　共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。　　自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。　　空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。　　电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。　　空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。　　本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。　　载流子：运载电荷的粒子称为载流子。　　导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。　　本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。　　本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。PN伏安特性　　复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。　　动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。　　载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。　　结论：本征半导体的导电性能与温度有关。半导体材料性能对温度的敏感性，可制作热敏和光敏器件，又造成半导体器件温度稳定性差的原因。　　杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。　　N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。　　多数载流子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，称为多数载流子，简称多子。　　少数载流子：N型半导体中，空穴为少数载流子，简称少子。　　施子原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。　　N型半导体的导电特性：它是靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。　　P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。　　多子：P型半导体中，多子为空穴。　　少子：P型半导体中，少子为电子。　　受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。　　P型半导体的导电特性：掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强。　　结论：　　多子的浓度决定于杂质浓度。　　少子的浓度决定于温度。　　PN结的形成：将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。　　PN结的特点：具有单向导电性。　　扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。　　空间电荷区：扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动，称为空间电荷区。　　电场形成：空间电荷区形成内电场。　　空间电荷加宽，内电场增强，其方向由N区指向P区，阻止扩散运动的进行。　　漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动称漂移运动。　　PN结的形成过程：将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。　　电位差：空间电荷区具有一定的宽度，形成电位差Uho，电流为零。　　耗尽层：绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴的数目都非常少，在分析PN结时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，称耗尽层。　　PN结的单向导电性　　P端接电源的正极，N端接电源的负极称之为PN结正偏。此时PN结如同一个开关合上，呈现很小的电阻，称之为导通状态。　　P端接电源的负极，N端接电源的正极称之为PN结反偏，此时PN结处于截止状态，如同开关打开。结电阻很大，当反向电压加大到一定程度，PN结会发生击穿而损坏。

6、生产工艺　　为了满足量产上的需求，半导体的电性必须是可预测并且稳定的，因此包括掺杂物的纯度以及半导体晶格结构的品质都必须严格要求。常见的品质问题包括晶格的错位（dislocation）、双晶面（twins），或是堆栈错误（stacking fault）都会影响半导体材料的特性。对于一个半导体元件而言，材料晶格的缺陷通常是影响元件性能的主因。　　目前用来成长高纯度单晶半导体材料最常见的方法称为裘可拉斯基制程（Czochralski process）。这种制程将一个单晶的晶种（seed）放入溶解的同材质液体中，再以旋转的方式缓缓向上拉起。在晶种被拉起时，溶质将会沿着固体和液体的接口固化，而旋转则可让溶质的温度均匀。

7、应用领域　　最早的实用“半导体”是「电晶体（Transistor）/二极体（Diode）」。　　一、在 无电收音机（Radio）及 电视机（Television）中，作为“讯号放大器/整流器”用。　　二、近来发展「太阳能（SolarPower）」，也用在「光电池（Solar Cell）」中。　　三、半导体可以用来测量温度，测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域，有较高的准确度和稳定性，分辨率可达0.1摄氏度，甚至达到0.01度也不是不可能，线性度0.2%，测温范围-100~+300摄氏度，是性价比极高的一种测温元件。

8、发展　　 世界半导体行业巨头纷纷到国内投资，整个半导体行业快速发展，这也要求材料业要跟上半导体行业发展的步伐。可以说，市场发展为半导体支撑材料业带来前所未有的发展机遇。　　台湾全年经济指标较乐观的是「民间投资」，但智库学者指出，「民间投资」竟都是靠半导体业支撑，国内其他产业的竞争力必须再「加把劲」。　　主计总处预估，因半导体业者扩大资本支出，民间投资总金额上升至2.9兆元，我国固定资本投资占国内生产毛额（GDP）比重可略升至19.8%。　　台综院日前虽将GDP预测值从往年年底的3.57%大幅下修至2.14%，但唯一较乐观的就是民间投资成长率部分，由原本的5.71%上修至6.49%。半导体　　智研数据研究中心调查员表示：国内「民间投资最主要就是半导体」；1到4月，海关进口设备总值达3600亿元，虽较同期增加300亿元，但光是台积电一家公司的投资就增加超过300亿元，「若扣除半导体产业，其他行业的投资额是负成长。」　　台综院院长吴再益担忧，从产业角度来看，台湾产品近年来附加价值率愈来愈低，不仅不敌南韩，还面对中国大陆的强力竞争，主因就是厂商不愿加码进行投资，「没有研发、没有投资，怎么提升产业竞争力？」　　吴再益指出，GDP很多构成因素，如「民间消费」、「输出」等都不看好，唯有民间投资一项令人期待；但半导体业的投资占整个制造业投资的七、八成，突显出的是「其他产业加起来，竟然只有二、三成」。　　吴再益表示，国内产业不论是资金或是其他资源，都过度集中，「我们是否只能押宝这几个产业？」若全球经济动荡，国内相对连带冲击也势必加剧。

10、相关内容英文及解释　　Semiconductor　　A semiconductor is a material with an electrical conductivity that isintermediatebetween that of an insulator and a conductor. A semiconductor behaves as an insulator at very low temperature, and has an appreciable electrical conductivity at room temperature although much lower conductivity than a conductor. Commonly used semiconducting materials are silicon, germanium, and gallium arsenide.命名之说PN结的形成过程中国半导体器件型号命名方法　　半导体器件型号由五部分（场效应器件、半导体特殊器件、复合管、PIN型管、激光器件的型号命名只有第三、四、五部分）组成。五个部分意义如下：　　第一部分：用数字表示半导体器件有效电极数目。2-二极管、3-三极管　　第二部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的材料和极性。表示二极管时：A-N型锗材料、B-P型锗材料、C-N型硅材料、D-P型硅材料。表示三极管时：A-PNP型锗材料、B-NPN型锗材料、C-PNP型硅材料、D-NPN型硅材料。　　第三部分：用汉语拼音字母表示半导体器件的内型。P-普通管、V-微波管、W-稳压管、C-参量管、Z-整流管、L-整流堆、S-隧道管、N-阻尼管、U-光电器件、K-开关管、X-低频小功率管(F<3MHz,Pc<1W)、G-高频小功率管（f>3MHz,Pc<1W)、D-低频大功率管（f<3MHz,Pc>1W)、A-高频大功率管（f>3MHz,Pc>1W)、T-半导体晶闸管（可控整流器）、Y-体效应器件、B-雪崩管、J-阶跃恢复管、CS-场效应管、BT-半导体特殊器件、FH-复合管、PIN-PIN型管、JG-激光器件。　　第四部分：用数字表示序号　　第五部分：用汉语拼音字母表示规格号　　例如：3DG18表示NPN型硅材料高频三极管