半导体的导电特性及其应用

赵子健

摘 要：半导体是现代信息化工业的基础，可以利用半导体材料制作电子器件和集成电路，这些都是信息技术的基础，其材料的研发和制作大大的促进了现代社会信息化的飞速发展。半导体的种类也多种多样。本文将主要介绍半导体的相关基础概念、半导体的导电特性及其应用。

关键词：半导体 导体特性 导电性 PN结

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）01-0-01

引言

[1]1990年以前的半导体材料主要以硅材料为主，几乎完全垄断着整个电子行业。目前的很多半导体相关电子器件也主要是用硅材料制作的。硅材料相关电子器件的发展完全决定和导致了微型计算机的出现和发展甚至整个信息产业的飞跃。随着社会信息化的发展，除了硅材料以外的砷化镓、磷化铟、氮化镓等半导体材料也在电子行业展露头角，其相较硅材料的各种优势也逐渐被人们发现，当然其不足也同样存在。

一、半导体的基本概念

从材料的导电与否可以分为导体、绝缘体和半导体。而半导体，则通常是指其导电性能在导体与绝缘体之间，其导电性可被人为控制。

原子的最外层电子受到激发，会形成自由电子，电子逃离后变成了空穴。半导体中有两种载流子——自由电子和空穴。[2]其中半導体又分为N型半导体和P型半导体。P型半导体通常又可以称为空穴半导体，因为其是指通过空穴导电的半导体，在纯净的晶体硅中掺入三价的原子，掺入的原子取代硅原子在晶格中的位置，会形成空穴，当然掺入的原子越多，形成的空穴则越多，导电性就会越好；N型半导体也可以称为电子半导体，因为其是指依靠自由电子导电的半导体，在纯净的晶体硅中掺入五价原子，掺入的原子取代硅原子在晶格中的位置，会形成自由电子，当然掺入的原子越多，形成的自由电子则越多，导电性就会越好。但通常空穴的多少还取决于温度，而自由电子的浓度取决于掺入的原子浓度。

[3]单一的P型半导体或者单一的N型半导体都仅能做电阻使用，用处都不大，通常是将二者结合在一起使用。当二者相互接触时，其交界区域成为PN结。

二、半导体的导电特性

[4]纯净的半导体材料在温度很低（绝对零度左右）时，价电子被束缚得很紧，内部几乎完全没有电子可以移动，也就是没有载流子可以导电，这种情况下的半导体材料的导电性接近绝缘体。但半导体材料的特别之处就是，其导电能力会随着外加条件的改变而改变。即前面提过的导电能力可控性。

在半导体材料中掺入其他元素的原子，会形成更多的空穴或者自由电子，即会增加载流子的浓度，从而可以提高半导体材料的导电性，掺杂后的半导体材料的导电能力与掺入的原子种类、掺入的原子的数量有一定的关系，这就是半导体材料的[5]掺杂特性。随着半导体所处的环境的温度的升高，材料内部会有更多的空穴或者电子被激发，即会形成更多的载流子，所以其导电能力会相应有所提升，这就是半导体材料的热敏特性。有的半导体受到光照时，导电能力会大幅度增强，这是由于光的照射会激发材料的电子，形成自由电子和空穴，增加载流子浓度，提升材料的导电性，这就是半导体材料的光敏特性。除此之外，某些半导体材料的导电性还会随着材料所处环境的磁场、湿度、某些气体的浓度以及受到的压力等不同而有所不同，这就是材料的磁敏性、湿敏性、气敏性、压敏性等。

在P型半导体和N型半导体形成的PN结区域，空穴和自由电子由于浓度会向对方区域扩散，造成正负电荷在PN 结两侧的积累，形成电偶极层，也就是阻挡层，其电阻会是原半导体的几十倍甚至几百倍； [6]PN结在收到光照后会产生电动势，这就是半导体材料的光生伏打特性；PN结导电具有单向性，当P型半导体的一端接正极，N型半导体一端接负极时，成为PN结正偏，这时的PN结的电阻很小，几乎完全等效为一个闭合的开关，也称这种情况为导通状态；当P型半导体的一端接负极，N型半导体一端接正极时，成为PN结反偏，这时的PN结的电阻很大，当两端电压较大到一定程度时，PN结会被损坏。

三、半导体的应用

早期的半导体主要运用在电收音机、电视机的讯号放大器（整流器）中，如二极管。随着半导体技术的发展，在太阳能光电池中也有涉及。现今的大部分电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元集成电路都和半导体有着极为密切的关联。在显示屏行业，如今广泛应用于高端手机的OLED，就是利用了半导体薄膜。由于半导体热敏、气敏等特性，因此也被用于测量温度，测量环境中某种气体，如烟雾报警器和检测某些有毒气体的器件中，具有较高的稳定性和准确性，[7]测温分辨率能达0.1℃，有时甚至能达0.01℃。常常会利用某些半导体材料的环境敏感性，来制作测试器件。

结论

常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，硅更是各种半导体材料中在商业应用上最具有影响力的一种。由于智能型手机消费者需求的增加，无线市场目前是半导体应用中成长扩大速度最快的一个领域。并且随着智能型手机需求的增加，半导体的运用也朝着无线基地台的普及及网路基本设备的方向发展。

参考文献

[1]韩汝琦. 非晶态半导体的导电性[J]. 物理， 1979， 8（2）：0-0.

[2]周春锋， 兰天平， 孙强. 砷化镓材料技术发展及需求[J]. 天津科技， 2015，42（03）：11-15.

[3]冯丰， 王军红. 砷化嫁晶体生长设备的发展回顾[J]. 半导体技术， 2013，38（08）：635-639.

[4]徐敏， 师如华. 超精密砷化嫁晶片抛光机的研制[[J]. 机电产品开发与创新， 2013（04）：8-10.

[5]杜裕杰. 新型电化学三维微纳米结构加工研究[D]. 南昌：南昌航空大学硕士学位论文， 2013：4-5.

[7]许艳军. 大尺寸SIC空间反射镜离子束加工热效应分析与抑制[J]. 红外与激光工程， 2014，43（08）：2556-2561.

[8]刘之景， 刘晨. 光刻与等离子体刻蚀技术[J]. 物理， 1999，28（07）：45-49.