半导体

半导体是一类电导率可通过杂质、温度、光照或电场加以控制的材料。其电导率通常介于金属与电绝缘体之间，但仅凭这一比较并不能完整界定半导体。半导体材料是制造晶体管、集成电路以及许多光学器件和功率转换器件的基础。在非正式用法中，“半导体”也可指由这些材料制成的元器件，而非材料本身。半导体的行为可通过量子力学和固体的电子结构来解释。(ocw.mit.edu)

电子结构与载流子

在固体中，原子之间的相互作用使电子允许具有的能量形成一定的范围，称为能带。在常规半导体中，价带与导带之间隔着一个带隙：在理想的体晶体中，这一能量区间内不存在允许的状态。电子通过热激发或吸收光获得足够能量后，即可进入导带。与金属不同，理想的未掺杂半导体在绝对零度下，价带完全填满，而导带为空。(ocw.mit.edu)

激发会在价带中留下一个未被占据的状态，称为空穴。当相邻电子填补这一空位时，空位的行为表现为一个可移动的正电荷载流子。导带电子和空穴都对电流有所贡献。在本征半导体中，即载流子数量不由杂质主导的半导体中，电子浓度与空穴浓度相等。升温通常会增加本征载流子浓度，而由此产生的电导率还取决于这些载流子移动的容易程度。(ocw.mit.edu)

对于通常的低电场输运，电导率可表示为

其中，$q$ 为元电荷的大小，$n$ 和 $p$ 分别为电子浓度和空穴浓度，$\mu_n$ 和 $\mu_p$ 分别为两者的迁移率。区分载流子浓度与迁移率十分重要：增加载流子并不一定能改善器件性能的所有方面。(ocw.mit.edu)

掺杂与结

掺杂是有意引入杂质以改变载流子数量的过程。在硅中，磷通常充当施主，提供电子，形成 n 型材料。硼则充当受主，增加空穴数量，形成 p 型材料。这些字母表示占主导地位的可移动载流子类型，而不是整个晶体的净电荷；在远离带电界面的区域，掺杂材料仍近似保持电中性。掺杂元素引入的能级所需的激发能远小于跨越整个带隙所需的能量。(ocw.mit.edu)

当 p 型区域与 n 型区域相接时，会形成p–n 结。载流子跨越界面的扩散留下了电离的杂质原子，从而形成耗尽区和内建电场。在平衡状态下，这一电场阻止进一步的净扩散。外加电压会改变势垒：正向偏置有利于载流子注入，而反向偏置通常会抑制电流，直到漏电或击穿机制产生显著影响。这种不对称响应是结型二极管工作的基础。(ocw.mit.edu)

金属–氧化物–半导体场效应晶体管，简称 MOSFET，通过施加在绝缘栅上的电压，控制源极与漏极之间的导电沟道。与简单的结型二极管不同，它能让一个电信号调控另一股电流，从而实现放大和开关功能。(live.ocw.mit.edu)

材料与光学性质

硅和锗是元素半导体材料；砷化镓和氮化镓则是化合物半导体。材料的选择取决于电子结构、载流子输运、工艺要求以及预期的工作条件。因此，半导体技术所涵盖的范围远不止硅基计算机芯片。(ocw.mit.edu)

一项重要的光学区别在于带隙是直接带隙还是间接带隙。在直接带隙材料中，导带底与价带顶对应相同的晶体动量，有利于辐射跃迁。在间接带隙材料中，动量也必须发生变化，这通常通过与声子的相互作用实现。普通晶体硅具有间接带隙，而砷化镓和氮化镓具有直接带隙。这些差异有助于判断材料是否适合用于发光和光吸收。(arxiv.org)

宽禁带半导体包括碳化硅和氮化镓，可用于制造面向高电压、高开关频率或高温条件的器件。它们的性质有助于降低功率转换过程中的损耗，但实际性能还取决于器件结构、热管理和封装。它们并非在所有应用中都能直接替代硅。(energy.gov)

器件与应用

半导体器件具有多种不同的功能。晶体管提供开关和放大功能；集成电路将相互连接的元器件组合起来，实现处理、存储和控制功能。这些电路是计算机及其他电子系统的基础。功率半导体器件用于调节和转换电能，其应用包括电机驱动和可再生能源设备。(educationalgames.nobelprize.org)

光电子器件将电学过程与光学过程联系起来。在太阳能电池中，吸收的光产生载流子，再由器件结构将其分离和收集。在发光二极管中，电子与空穴复合产生光；半导体激光器还利用受激辐射。能带结构、结的设计和材料组成决定了器件能够实现的波长和效率。(ocw.mit.edu)

制造与历史发展

芯片制造通过反复进行各项加工步骤，在半导体晶圆上构建具有特定图形的结构。薄膜沉积用于添加材料，光刻在感光涂层中定义图形，刻蚀则去除选定区域的材料。离子注入用于引入掺杂元素。反复的图形定义和加工形成器件及其连接；制成的芯片随后被分割并封装，以提供电气连接和保护。光刻的作用是定义图形，而不是直接完成图形所描绘的全部结构。(asml.com)

1947 年，约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿在贝尔实验室研制出第一个能够工作的点接触晶体管。他们与威廉·肖克利因半导体研究和晶体管效应的发现，共同获得了 1956 年诺贝尔物理学奖。杰克·基尔比和罗伯特·诺伊斯分别于 1958 年和 1959 年开发了集成电路方案，使多个元器件能够在半导体材料上一起制造，而不必逐个组装。(educationalgames.nobelprize.org)