半导体的基本概念及典型的半导体材料
半导体
半导体半导体简介：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）。
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。
半导体定义：电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的物质。
半导体室温时电阻率约在10E-5～10E7欧·米之间，温度升高时电阻率指数则减小。
半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。
有元素半导体，化合物半导体，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。
半导体材料：半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。
半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。
正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。
半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下几类。
1.元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。
2.化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料，包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。
3.无定形半导体材料，用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。
4.有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用。
制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。
半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。
常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。
半导体材料分析
1、半导体材料定义我们通常把导电性差的材料，如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体。
而把导电性比较好的金属如金、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（semiconductor material ），电阻率约在1m cm〜1G cm范围内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。
反映半导体内在基本性质的却是各种外界因素如光、热、磁、电等作用于半导体而引起的物理效应和现象，这些可统称为半导体材料的半导体性质。
构成固态电子器件的基体材料绝大多数是半导体，正是这些半导体材料的各种半导体性质赋予各种不同类型半导体器件以不同的功能和特性。
半导体的基本化学特征在于原子间存在饱和的共价键。
作为共价键特征的典型是在晶格结构上表现为四面体结构，所以典型的半导体材料具有金刚石或闪锌矿（ZnS）的结构。
由于地球的矿藏多半是化合物，所以最早得到利用的半导体材料都是化合物，例如方铅矿（PbS）很早就用于无线电检波，氧化亚铜（Cu2O）用作固体整流器，闪锌矿（ZnS）是熟知的固体发光材料，碳化硅（SiC）的整流检波作用也较早被利用。
硒（Se）是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。
元素半导体锗（Ge）放大作用的发现开辟了半导体历史新的一页，从此电子设备开始实现晶体管化。
中国的半导体研究和生产是从1957年首次制备出高纯度的锗开始的。
采用元素半导体硅（Si）以后，不仅使晶体管的类型和品种增加、性能提高，而且迎来了大规模和超大规模集成电路的时代。
以砷化傢（GaAs）为代表的川-V族化合物的发现促进了微波器件和光电器件的迅速发展。
2、半导体材料的发展历史半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，1833年，英国科学家电子学之父法拉第最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。
半导体基础知识
半导体基础知识（详细篇）2.1.1 概念根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。
1. 导体：容易导电的物体。
如：铁、铜等2. 绝缘体：几乎不导电的物体。
如：橡胶等3. 半导体：半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体。
在一定条件下可导电。
半导体的电阻率为10-3～109 Ω·cm。
典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
半导体特点：1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变化。
光敏元件、热敏元件属于此类。
2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。
二极管、三极管属于此类。
2.1.2 本征半导体1.本征半导体——化学成分纯净的半导体。
制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。
它在物理结构上呈单晶体形态。
电子技术中用的最多的是硅和锗。
硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。
其简化原子结构模型如下图：外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。
物质的性质是由价电子决定的。
外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。
物质的性质是由价电子决定的。
2.本征半导体的共价键结构本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。
共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。
如下图所示：硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图3.共价键共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电子。
束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量，不易脱离轨道。
因此，在绝对温度T=0°K（-273°C）时，由于共价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导电。
只有在激发下，本征半导体才能导电4.电子与空穴当导体处于热力学温度0°K时，导体中没有自由电子。
当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。
半导体的三个特性
反向特性
击穿特性
当反向电压增大到某一数值时，反向 电流急剧增大，称为二极管的击穿现 象。此时二极管失去单向导电性。
在反向电压作用下，随着电压的增大，反向 电流基本保持不变，称为反向饱和电流。反 向伏安特性曲线是一条近似水平的直线。
二极管主要参数及性能指标
最大整流电流IF
最高反向工作电压UR
指二极管长期连续工作时允许通过的最大 正向平均电流值。该值决定了二极管的功 耗和散热设计。
指二极管两端允许施加的最大反向电压。 若超过此值，则反向电流急剧增大，二极 管的单向导电性被破坏。
反向电流IR
最高工作频率fM
指在规定的反向电压下流过二极管的反向 电流。该值越小，说明二极管的单向导电 性越好。
指二极管能正常工作的最高频率。超过此 值时，由于结电容的作用，二极管的性能 将下降。
03
劣环境。
柔性电子器件
基于柔性基板的半导体器件， 可弯曲、折叠，适用于可穿戴
设备等领域。
生物半导体器件
利用生物材料与半导体技术结 合，制造具有生物兼容性的电
子器件。
未来发展趋势预测与挑战
发展趋势
随着人工智能、物联网等技术的快速发展，半导体器件将朝着更高性能、更低功耗、更小体积的方向 发展。同时，柔性电子、生物电子等新兴领域也将为半导体器件带来新的发展机遇。
半导体材料分类与特点
01
02
03
元素半导体
如硅（Si）、锗（Ge）等， 具有独特的 化铟（InP）等，具有优 异的电学、光学和热力学 性质。
有机半导体
如聚乙炔、聚苯胺等，具 有低成本、可弯曲和轻质 等优点。
半导体能带结构与载流子
能带结构
半导体的能带结构包括价带、导带和禁带。价带中的电子被束缚在原子周围， 导带中的电子可以自由移动，禁带则是价带和导带之间的能量间隔。
什么是半导体什么是超导体
什么是半导体？什么是超导体？半导体和超导体是材料科学领域中两个重要的概念。
它们在电子学、光电子学和量子科学等领域具有重要的应用。
下面将分别介绍半导体和超导体的基本概念、特性以及应用。
什么是半导体？半导体是一类介于导体和绝缘体之间的材料。
在半导体中，电子的运动介于导体和绝缘体之间，即既有可能导电，也有可能阻断电流。
半导体材料包括硅、锗等，它们通常是单晶体或多晶体的形式。
半导体具有以下特性： - 半导体的导电性取决于温度和施加的电场。
- 在半导体中加入杂质可以改变其导电性质，即形成n型半导体和p型半导体。
- 半导体在电子学、光电子学、半导体器件等领域有广泛的应用，如集成电路、光伏电池等。
什么是超导体？超导体是具有完全零电阻和完全抗磁性的材料。
当超导体降至临界温度以下时，电阻变为零，电流可以无限流动。
超导体的特性由Cooper对称性理论解释，即电子之间形成特定的配对状态。
超导体具有以下特性： - 零电阻：在超导体中电子几乎无阻碍地传导，电阻为零。
- 极强抗磁性：超导体在外加磁场下会产生完全的抗磁效应。
- 临界温度：超导体需要降至低温才能展现超导特性，不同超导体具有不同的临界温度。
应用领域半导体和超导体在现代科学技术中有着广泛的应用：- 半导体应用于集成电路、硅光子学、光伏发电等领域。
- 超导体应用于超导磁悬浮、医学成像、电力输送等领域。
总结：半导体和超导体作为材料科学中重要的两类材料，在电子学和量子科学领域中发挥着关键作用。
深入理解半导体和超导体的特性和应用有助于推动未来科学技术的发展。
半导体的基本知识
第1章半导体的基本知识1.1 半导体及PN结半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高等优点，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。
半导体器件是构成电子电路的基础。
半导体器件和电阻、电容、电感等器件连接起来，可以组成各种电子电路。
顾名思义，半导体器件都是由半导体材料制成的，就必须对半导体材料的特点有一定的了解。
1.1.1半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。
通常将很容易导电、电阻率小于10* Q ?cm的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料；将很难导电、电阻率大于1010Q?cm的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10°Q?cm-1010Q?cm 范围内的物质，称为半导体。
常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。
用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体不同于导体的特殊性质。
1热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。
半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。
例如纯净的锗从20C升高到30C时，它的电阻率几乎减小为原来的1 /2。
而一般的金属导体的电阻率则变化较小，比如铜，当温度同样升高10C时，它的电阻率几乎不变。
2、光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。
一种硫化铜薄膜在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。
而金属导体在阳光下或在暗处其电阻率一般没有什么变化。
3、杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。
在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一。
最常用的半导体材料是什么
最常用的半导体材料是
在现代科技中，半导体材料扮演着至关重要的角色。
半导体是一种电子的导体，其电导率介于导体和绝缘体之间。
在各种电子学设备中，最常用的半导体材料包括硅和锗。
硅
硅是最为广泛应用的半导体材料之一。
硅材料拥有丰富的资源，制备工艺成熟，并且具有优良的半导体特性。
数十年来，硅一直被广泛应用于集成电路、太阳能电池、光电器件等领域。
硅材料的稳定性和可靠性使其成为许多电子设备行业的首选。
锗
与硅类似，锗也是一种常见的半导体材料。
锗材料在温度较低时的电导率较硅高，因而在一些特定环境下具有优势。
锗常用于一些高频电路中，例如射频应用、雷达系统等。
在某些特殊条件下，锗还可以取代硅用于特定电子器件中。
其他半导体材料
除了硅和锗，还有一些其他半导体材料应用广泛。
例如，氮化镓、砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体在高频器件、激光器等方面具有独特的优势。
此外，磷化铟、碲化镉等化合物半导体在红外探测器、光电器件等领域有着独特的应用。
结语
半导体材料是现代电子科技中不可或缺的重要组成部分。
硅和锗作为最常用的
半导体材料，被广泛应用于各种电子器件中。
除了这两种常见的半导体材料外，还有许多其他类型的半导体材料在特定领域发挥着重要作用。
半导体材料的研究和应用将继续推动电子科技的发展，为人类创造更多的科技奇迹。
半导体物理知识点汇总总结
半导体物理知识点汇总总结一、半导体物理基本概念半导体是介于导体和绝缘体之间的材料，它具有一些导体和绝缘体的特性。
半导体是由单一、多层、回交或互相稀释的混合晶形的二元、三元或多元化合物所组成。
它的特点是它的电导率介于导体和绝缘体之间，是导体的电导率∗101~1015倍，是绝缘体的电导率÷102~103倍。
半导体材料具有晶体结构，对它取决于结晶度的大小，织排效应特别大。
由于它的电导率数值在半导体晶体内并不等同，所以它是隔离的，具有相当大的飞行束度，并且不容易受到外界的干扰。
二、半导体晶体结构半导体是晶体材料中最均匀最典型的材料之一，半导体的基本结构是一个由原子排成的一种规则有序的晶体结构。
半导体原子是立方体的晶体，具有600个原子的立方体晶体结构，又称之为立方的晶体结构。
半导体晶体结构的代表性六面体晶体结构，是一种由两个或两个以上的六面全部说构成的立方晶体。
半导体晶体的界面都是由两个或两个以上的六面全部说构成的晶体包围构成，是由两个或两个以上的六面全部说构成的立方晶体。
半导体晶体的界面都是由两个或两个以上的六面全部说构成的晶点构成，是由两个或两个以上的六面全部说构成的晶点构成。
三、半导体的能带结构半导体的能带“带”是指其电子是在“带”中运动的，是光电子带，又称作价带，当其中的自由电子都填满时另一种平面，又称导电带，当其中的自由电子并不填满时其另一种平面在有一些能够使电子轻易穿越的东西。
半导体的能带是由两个非常临近的能带组成的，其中价带的最上一层电子不足，而导电带的下一层电子却相当到往动能，这一些动能可能直到加到电子摆脱它自己体原子，变成自由电子，并且在整体晶体里自由活动。
四、半导体的导电机理半导体的导电机理是在外加电压加大时一部分自由电子均可以在各自能带中加速骚扰，从而增加在给导电子处所需要的电压增大并最终触碰到另一种平面上产生电流就可以。
五、半导体的掺杂掺杂是指在纯净半导体中加入某些以外杂质元素的行为。
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半导体的基本概念及典型的半导体材料
半导体是一种电子和空穴两种载流子都参与导电的物质。
它的导电能力介于导体（如金属）和绝缘体（如陶瓷、橡胶）之间。
半导体的导电性受温度、光照、杂质等因素的影响，具有可控性和可变性。
典型的半导体材料有以下几种：
1. 硅（Si）：硅是最常用的半导体材料，广泛应用于集成电路、太阳能电池等领域。
硅半导体具有较高的热稳定性和化学稳定性，是目前应用最广泛的半导体材料。
2. 锗（Ge）：锗与硅类似，也是一种重要的半导体材料。
由于锗的带隙较小，因此其发光波长较长，适用于红外光探测器等器件。
3. 砷化镓（GaAs）：砷化镓是一种III-V族化合物半导体，具有直接跃迁的特点，因此在光电器件、激光器等领域有广泛应用。
4. 磷化铟（InP）：磷化铟也是一种III-V族化合物半导体，具有优异的光电性能，适用于光纤通信、光探测器等器件。
5. 碳纳米管：碳纳米管是一种一维纳米材料，具有独特的电学、光学和力学性能。
近年来，碳纳米管在电子器件、传感器等领域的应用逐渐受到关注。
6. 氮化镓（GaN）：氮化镓是一种宽禁带半导体材料，具有高的电子迁移率和高的击穿电压，适用于高功率、高频、高温等特殊环境下的电子器件。