半導體的定義

“半導體”是一種導電性介於“導體”和“絕緣體”之間的物質。一般的，我們用電導率（δ）來衡量材料的導電效能，電導率越高，導電性越好。與電導率相對的是，我們用電阻率（ρ）來衡量材料的絕緣效能，電阻率越高，其導電性越低。電導率（δ）與電阻率（ρ）的關係為：δ=1/ρ

通常，半導體的電阻率分佈在10^-4至10^8 Ωcm之間，導體(金屬等)的電阻率分佈在10^-8至10^-4Ωcm之間，絕緣體（橡膠等）的電阻率分佈在10^8至10^18Ωcm之間。

本徵半導體與摻雜半導體

“本徵”（intrinsic）這個術語指的是某種材料處於純淨狀態，未摻雜其他物質。而本徵半導體，顧名思義就是天然具有半導體特徵特性的材料。在自然界中，我們已知的本徵半導體元素只有兩種——矽（Si）和鍺（Ge）。除此之外還有幾十種化合物材料，例如砷化鎵（GaAs），氮化鎵（GaN）等。半導體材料在其本徵狀態時是不能用於固態器件的。

n型半導體和P型半導體

在矽或鍺中摻雜了磷（P）、砷（As）或銻（Sb）之後，就被叫做n型半導體。第IV族的矽有四個價電子，第V族的磷有五個價電子。如果在純矽晶體中加入少量磷，磷的一個價電子就可以作為剩餘電子自由移動（自由電子）。當這個自由電子被吸引到“＋”電極上並移動時，就產生了電流流動。

n型半導體中自由電子的形成

p型半導體是指摻雜了硼（B）或銦（In）的本徵半導體。第III族的硼有三個價電子。將少量硼摻雜到矽單晶後，在某個位置上的價電子將不足以使矽和硼鍵合，從而產生了缺少電子的空穴。在這種狀態下施加電壓時，相鄰的電子移動到空穴中，使得電子所在的地方變成一個新的空穴，這些空穴看起來就像按順序移動到“–”電極一樣。

P型半導體中空穴的形成

化合物半導體

除了矽，還有結合了第III族和第V族元素以及第II族和第VI族元素的化合物半導體。例如，GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）、InGaAlP（磷化鋁鎵銦）等通常用於高頻器件和光學器件。近年來，InGaN（氮化銦鎵）作為藍光LED和鐳射二極體的材料引起了人們的廣泛關注，SiC（碳化矽）和GaN（氮化鎵）作為功率半導體材料也得到了一定程度上的關注和商業化。

典型的化合物半導體

第II-VI族：ZnSe

第III-V族：GaAs，GaN，InP，InGaAlP，InGaN

第IV-IV族：SiC，SiGe

PN接面

p型和n型半導體之間的接觸面即稱為PN接面。p型和n型半導體鍵合時，作為載流子（電流載體）的空穴和自由電子相互吸引、束縛並在邊界附近消失。由於在這個區域沒有載流子，所以它被稱為耗盡層，與絕緣體的狀態相同。在這種狀態下，將“＋”極連線到p型區，將“-”極連線到n型區，並施加電壓使得電子從n型區順序流動到p型區。電子首先會與空穴結合而消失，但多餘的電子會移動到“＋”極，這樣就產生了電流流動。

PN接面的形成

PN接面的特點可以簡單分成以下幾類。

從PN接面的結構中不難看出，要想PN接面導通形成電流，需根據其內電場方向反向施加一個更大的電場。即P接正極，N結負極，可抵消其內部電場，形成電流(單向導通)。正向施加電場，則PN接面內電場增強，僅少量電子透過（反向飽和）。當正向電場強於某一個數值，電子能量強度過大，會擊毀其內部共價鍵，導致釋放更多的空穴和電子，此時PN接面被擊穿變為導體（擊穿導體）。

這三個特性，是二極體和積體電路中最基礎也是最重要的物理特性。所有以電晶體為基礎的大規模積體電路都沒有例外。二極體就是基於PN接面單向通導的原理工作的。而一個PNP結構則可以形成一個三極體，裡面包含了PN和NP兩個PN接面。二極體和三極體都是電子電路里面最基本的元件。

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