半导体材料的导电率值介于导体（如铜，金等）和绝缘体（如玻璃）之间。 它们的电阻随着温度的升高而降低，这与金属的行为相反。 它们的导电性能可以通过有意识地，有控制地将杂质（“掺杂”）引入晶体结构中而以有用的方式改变。 在同一晶体中存在两个不同掺杂区域的情况下，产生半导体结。 在这些结处包括电子，离子和电子空穴的电荷载流子的行为是二极管，晶体管和所有现代电子器件的基础。
半导体器件可以显示一系列有用的特性，例如在一个方向上比另一个方向更容易通过电流，显示出可变的电阻，以及对光或热的敏感性。 因为半导体材料的电特性可以通过掺杂或通过施加电场或光来改变，所以由半导体制成的器件可以用于放大，转换和能量转换。
通过添加少量的五价（锑，磷或砷）或三价（硼，镓，铟）原子（108中的部分）来增加硅的导电性。 该过程称为掺杂，并且所得到的半导体被称为掺杂或外在半导体。
对半导体特性的现代理解依赖于量子物理学来解释电荷载流子在晶格中的运动。 掺杂大大增加了晶体内电荷载流子的数量。 当掺杂半导体主要包含自由空穴时，它被称为“p型”，当它主要包含自由电子时，它被称为“n型”。 电子器件中使用的半导体材料在精确的条件下掺杂，以控制p型和n型掺杂剂的浓度和区域。 单个半导体晶体可以具有许多p型和n型区域; 这些区域之间的p-n结是有用的电子行为的原因。
虽然一些纯元素和许多化合物显示出半导体特性，但硅，[更好的光源所需]锗和镓化合物是电子器件中使用最广泛的元素。 在所谓的“非金属阶梯”附近的元素，其中类金属位于元素周期表上，通常用作半导体。
在整个19世纪中期和20世纪的前几十年中观察到半导体材料的一些性质。 半导体在电子学中的第一个实际应用是1904年开发的猫须探测器，这是一种广泛用于早期无线电接收器的原始半导体二极管。 量子物理学的发展反过来允许1947年晶体管的发展和1958年的集成电路的发展。
属性
可变电导率
处于自然状态的半导体是不良导体，因为电流需要电子流动，半导体的价带被填充，阻止新电子的进入。 有几种开发技术允许半导体材料表现得像导电材料，例如掺杂或浇口。 这些修改有两种结果：n型和p型。 这些分别指电子的过量或不足。 不平衡的电子数将导致电流流过材料。
异质结
当两种不同掺杂的半导体材料连接在一起时发生异质结。 例如，配置可以由p掺杂和n掺杂的锗组成。 这导致不同掺杂的半导体材料之间的电子和空穴的交换。 n掺杂的锗将具有过量的电子，并且p掺杂的锗将具有过量的空穴。 转移发生直到通过称为复合的过程达到平衡，这导致来自n型的迁移电子与来自p型的迁移空穴接触。 该过程的产物是带电离子，其产生电场。
激发电子
半导体材料上的电势差将导致其保持热平衡并产生非平衡状态。 这将电子和空穴引入系统，通过称为双极扩散的过程相互作用。 每当半导体材料中的热平衡受到干扰时，空穴和电子的数量就会发生变化。 这种破坏可能由于温度差异或光子而发生，光子可以进入系统并产生电子和空穴。 产生和消灭电子和空穴的过程称为生成和重组。
发光
在某些半导体中，激发的电子可以通过发光而不是产生热量来放松。 这些半导体用于构造发光二极管和荧光量子点。
热能转换
半导体具有较大的热电功率因数，使其可用于热电发电机，以及高热电性能指标，使其可用于热电冷却器。
物料
大量元素和化合物具有半导体特性，包括：
某些纯元素见于元素周期表第14组; 这些元素中最重要的商业元素是硅和锗。 硅和锗在这里被有效地使用，因为它们在其最外层壳中具有4个价电子，这使得它们能够同时获得或失去电子。
二元化合物，特别是第13和15族元素之间的二元化合物，例如砷化镓，第12和16族，第14和16族，以及不同的第14族元素，例如碳化硅。
某些三元化合物，氧化物和合金。
有机半导体，由有机化合物制成。
最常见的半导体材料是结晶固体，但也已知无定形和液体半导体。 这些包括氢化非晶硅以及各种比例的砷，硒和碲的混合物。 这些化合物与更熟知的半导体共享中间电导率的性质和电导率随温度的快速变化，以及偶尔的负电阻。 这种无序材料缺乏常规半导体如硅的刚性晶体结构。 它们通常用于薄膜结构中，其不需要具有更高电子质量的材料，对杂质和辐射损伤相对不敏感。
半导体材料的制备
当今几乎所有的电子技术都涉及半导体的使用，最重要的方面是集成电路（IC），它们存在于笔记本电脑，扫描仪，手机等中。用于集成电路的半导体是大规模生产的。 为了制造理想的半导体材料，化学纯度至关重要。 由于材料的使用规模，任何小的缺陷都会对半导体材料的行为产生巨大影响。
由于晶体结构中的缺陷（例如位错，孪晶和堆垛层错）会干扰材料的半导体特性，因此还需要高度的晶体完整性。 晶体缺陷是半导体器件缺陷的主要原因。 晶体越大，实现必要的完美就越困难。 目前的大规模生产工艺使用直径在100和300毫米（3.9和11.8英寸）之间的晶锭，这些晶锭生长为圆柱体并切成晶片。
存在用于制备用于IC的半导体材料的过程的组合。 一种过程称为热氧化，其在硅表面上形成二氧化硅。 这用作栅极绝缘体和场氧化物。 其他过程称为光掩模和光刻。 该过程是在集成电路中的电路上创建图案的过程。 紫外光与光致抗蚀剂层一起使用以产生化学变化，从而产生电路的图案。
蚀刻是下一个需要的过程。 现在可以蚀刻未被前一步骤的光致抗蚀剂层覆盖的硅部分。 目前通常使用的主要工艺称为等离子体蚀刻。 等离子体蚀刻通常涉及在低压室中泵送的蚀刻气体以产生等离子体。 常见的蚀刻气体是氯氟烃，或更常见的已知的氟利昂。 阴极和阳极之间的高射频电压是在腔室中产生等离子体的原因。 硅晶片位于阴极上，这使得它被从等离子体释放的带正电的离子击中。 最终结果是各向异性蚀刻的硅。
最后一个过程称为扩散。 这是使半导体材料具有所需半导体特性的方法。 它也被称为兴奋剂。 该过程将不纯的原子引入系统，从而产生pn结。 为了使不纯的原子嵌入硅晶片中，首先将晶片放入1,100摄氏度的腔室中。 原子注入并最终与硅一起扩散。 在该过程完成并且硅达到室温之后，完成掺杂过程并且半导体材料准备用于集成电路中。
半导体物理学
能带和导电
半导体的定义是它们独特的导电行为，介于导体和绝缘体之间。 这些材料之间的差异可以根据电子的量子态来理解，每个电子可以包含零个或一个电子（通过泡利不相容原理）。 这些状态与材料的电子能带结构有关。 由于在离域（延伸穿过材料）的状态中存在电子而产生电导率，然而为了传输电子，必须部分地填充状态，仅在一部分时间内包含电子。 如果状态总是被电子占据，则它是惰性的，阻止其他电子通过该状态。 这些量子态的能量是至关重要的，因为只有当能量接近费米能级时，状态才会被部分填充（参见费米 – 狄拉克统计）。
材料中的高导电性来自具有许多部分填充状态和大量状态离域的材料。 金属是良好的电导体，并且具有许多部分填充状态，其能量接近其费米能级。 相比之下，绝缘体几乎没有部分填充状态，它们的费米能级位于带隙内，几乎没有能量状态占据。 重要的是，可以通过提高其温度使绝缘体导电：加热提供能量以促进跨越带隙的一些电子，在带隙（价带）下方的状态带和上述状态带中引起部分填充状态。带隙（导带）。 （本征）半导体的带隙小于绝缘体的带隙，并且在室温下可以激发大量电子穿过带隙。
然而，纯半导体不是很有用，因为它既不是非常好的绝缘体也不是非常好的导体。 然而，半导体（和一些绝缘体，称为半绝缘体）的一个重要特征是它们的导电性可以通过掺杂杂质和用电场选通来增加和控制。 掺杂和选通使传导或价带更接近费米能级，并大大增加部分填充状态的数量。
一些较宽带隙的半导体材料有时被称为半绝缘体。 当未掺杂时，它们具有更接近电绝缘体的导电性，但是它们可以被掺杂（使它们像半导体一样有用）。 半绝缘体在微电子领域找到了利基应用，例如HEMT的基板。 常见的半绝缘体的一个例子是砷化镓。 一些材料，例如二氧化钛，甚至可以用作某些应用的绝缘材料，同时被视为用于其他应用的宽间隙半导体。
电荷载流子（电子和空穴）
导带底部的状态的部分填充可以理解为向该频带添加电子。 电子不会无限期地停留（由于自然热重组），但它们可以移动一段时间。 电子的实际浓度通常非常稀释，因此（与金属不同）可以将半导体导带中的电子视为一种经典的理想气体，其中电子自由飞行而不受泡利不相容原则。 在大多数半导体中，导带具有抛物线色散关系，因此这些电子响应力（电场，磁场等），就像它们在真空中一样，尽管具有不同的有效质量。 因为电子表现得像理想气体，人们也可以用非常简单的术语来思考传导，例如Drude模型，并引入诸如电子迁移率的概念。
对于价带顶部的部分填充，引入电子空穴的概念是有帮助的。 虽然价带中的电子总是四处移动，但完全的价带是惰性的，不会传导任何电流。 如果从价带中取出一个电子，那么电子通常所采取的轨迹现在就会错过它的电荷。 出于电流的目的，全价带（减去电子）的这种组合可以转换成包含带正电粒子的完全空带的图像，该带电粒子以与电子相同的方式移动。 结合价带顶部电子的负有效质量，我们得到一个带正电粒子的图片，它响应电场和磁场，就像正常带正电粒子在真空中做的那样，再次带有一些正电荷有效质量。 这个粒子被称为空穴，价带中的空洞集合再次可以用简单的经典术语来理解（就像导带中的电子一样）。
载波生成和重组
当电离辐射撞击半导体时，它可以将电子从其能级激发出来并因此留下一个孔。 该过程称为电子 – 空穴对生成。 在没有任何外部能源的情况下，电子 – 空穴对也始终由热能产生。
电子 – 空穴对也易于重新组合。 能量守恒要求这些重组事件，其中电子失去大于带隙的能量，伴随着热能（以声子的形式）或辐射（以光子的形式）的发射。
在某些状态下，电子 – 空穴对的产生和重组是平衡的。 在给定温度下稳态的电子 – 空穴对的数量由量子统计力学确定。 生成和重组的精确量子力学机制受能量守恒和动量守恒的支配。
由于电子和空穴相遇的概率与它们的数量的乘积成正比，因此产品在给定温度下处于稳定状态几乎恒定，条件是没有明显的电场（可能“冲洗”两种类型的载体，或者将它们从包含更多它们的相邻区域移动到一起）或外部驱动的对生成。 产物是温度的函数，因为获得足够的热能产生一对的概率随温度增加，大约为exp（-EG / kT），其中k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，EG是带隙。
通过载流子陷阱 – 杂质或位错可以捕获电子或空穴并保持它直到一对完成来增加会合的可能性。 有时故意添加这种载流子陷阱以减少达到稳定状态所需的时间。
兴奋剂
通过将杂质引入其晶格中，可以容易地改变半导体的导电性。 将受控杂质添加到半导体中的过程称为掺杂。 添加到本征（纯）半导体中的杂质或掺杂剂的量改变其导电率水平。 掺杂半导体被称为外在的。 通过向纯半导体添加杂质，电导率可以变化数千或数百万。
1cm 3的金属或半导体样品具有1022个原子的量级。 在金属中，每个原子都提供至少一个自由电子进行传导，因此1 cm3的金属含有大约1022个自由电子，而1 cm3的纯锗样品在20°C含有大约4.2×1022个原子，但仅限于2.5×1013自由电子和2.5×1013个空穴。 添加0.001％的砷（杂质）会在相同的体积中提供额外的1017个自由电子，并且电导率增加10,000倍。
选择作为合适掺杂剂的材料取决于掺杂剂和待掺杂材料的原子特性。 通常，产生所需受控变化的掺杂剂被分类为电子受体或供体。 掺杂有施主杂质的半导体称为n型，而掺杂有受主杂质的半导体称为p型。 n和p型名称表示哪个电荷载体充当材料的多数载流子。 相反的载体称为少数载流子，由于与多数载流子相比低得多的热激发而存在。
例如，纯半导体硅具有四个价电子，其将每个硅原子键合到其邻居。 在硅中，最常见的掺杂剂是III族和V族元素。 III族元素都含有三个价电子，当它们用于掺杂硅时，它们起到受体的作用。 当受体原子取代晶体中的硅原子时，产生空态（电子“空穴”），其可以在晶格周围移动并用作电荷载体。 V族元素具有五个价电子，这使得它们可以充当供体; 用这些原子取代硅会产生额外的自由电子。 因此，掺杂硼的硅晶体产生p型半导体，而掺杂磷的硅晶体产生n型材料。
在制造期间，掺杂剂可以通过与所需元素的气态化合物接触而扩散到半导体本体中，或者可以使用离子注入来精确定位掺杂区域。
半导体的早期历史
对半导体的理解历史始于对材料电性能的实验。 从19世纪初开始观察到负温度系数，整流和光敏性的特性。
1821年，托马斯·约翰·塞贝克（Thomas Johann Seebeck）首次注意到半导体产生的影响。1833年，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）报道，加热时硫化银试样的电阻降低。 这与铜等金属物质的行为相反。 1839年，亚历山大·埃德蒙德·贝克勒尔（Alexandre Edmond Becquerel）报告了在被光照射时固体和液体电解质之间的电压观察，即光伏效应。 1873年，威洛比史密斯观察到，当光线落在它们上面时，硒电阻器的阻力会减小。 1874年，卡尔·费迪南德·布劳恩（Karl Ferdinand Braun）观察到了金属硫化物的传导和整流，尽管这种效应早在1835年由Rosenschold（sv）为Annalen der Physik und Chemie撰写时就已经发现，而Arthur Schuster发现氧化铜层电线具有在清洁电线时停止的整流特性。 William Grylls Adams和Richard Evans Day于1876年观察了硒的光伏效应。
对这些现象的统一解释需要一种固态物理理论，该理论在20世纪上半叶得到了极大的发展。 1878年，埃德温赫伯特霍尔通过施加的磁场霍尔效应证明了流动电荷载流子的偏转。 JJ汤姆森在1897年发现的电子引发了固体中电子传导的理论。 Karl Baedeker通过观察霍尔效应与金属中的反向符号，推测碘化铜具有正电荷载流子。 Johan Koenigsberger在1914年将固体材料分类为金属，绝缘体和“可变导体”，尽管他的学生Josef Weiss在1910年已经在博士论文中引入了术语Halbleiter（现代意义上的半导体）.Felix Bloch发表了一种通过原子的电子运动理论1930年，B.Gudden说，半导体中的电导率是由于杂质的微量浓度造成的。 到1931年，艾伦·赫里斯·威尔逊（Alan Herries Wilson）建立了传导带理论，并开发了带隙概念。 Walter H. Schottky和Nevill Francis Mott开发了势垒和金属 – 半导体结特征的模型。 到1938年，鲍里斯·达维多夫（Boris Davydov）开发了铜氧化物整流器理论，确定了p-n结的影响以及少数载流子和表面态的重要性。
理论预测（基于开发量子力学）和实验结果之间的一致性有时很差。 后来John Bardeen解释说，由于半导体的极端“结构敏感”行为，其性质在微量杂质的基础上发生了巨大变化。 含有不同比例的痕量污染物的20世纪20年代的商业纯材料产生了不同的实验结果。 这促进了改进材料精炼技术的发展，最终导致现代半导体炼油厂生产纯度为万亿分之一的材料。
在半导体理论为构建更有能力和可靠的器件提供指导之前，首先基于经验知识构建使用半导体的器件。
亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell）利用硒的光敏特性在1880年通过光束传输声音。查尔斯·弗里茨于1883年使用涂有硒和薄层的金属板制造了效率低的工作太阳能电池。金; 该装置在20世纪30年代的照相光度计中具有商业用途。 由Jagadish Chandra Bose于1904年使用由硫化铅制成的点接触微波探测器整流器; 使用天然方铅矿或其他材料的猫须探测器成为无线电发展的常用设备。 但是，它在操作上有些不可预测，需要手动调整才能获得最佳性能。 1906年，当电流通过碳化硅晶体时，HJ Round观察到发光，这是发光二极管背后的原理。 Oleg Losev在1922年观察到类似的光发射，但当时效果没有实际用途。 使用氧化铜和硒的功率整流器是在20世纪20年代开发的，并且作为真空管整流器的替代品在商业上变得重要。
在第二次世界大战之前的几年中，红外探测和通信设备促进了对硫化铅和硒化铅材料的研究。 这些设备用于检测船舶和飞机，红外测距仪以及语音通信系统。 点接触式晶体探测器对微波无线电系统至关重要，因为可用的真空管装置不能用作大约4000 MHz以上的探测器; 先进的雷达系统依赖于晶体探测器的快速响应。 在战争期间发生了大量硅材料的研究和开发，以开发出质量稳定的探测器。
探测器和电源整流器无法放大信号。 为开发固态放大器做了许多努力，并成功开发了一种可以放大20db或更多的点接触晶体管器件。 1922年，Oleg Losev开发出用于无线电的双端负阻放大器，并在成功完成后在列宁格勒的围城中丧生。 1926年Julius Edgar Lilienfeld获得了类似于现代场效应晶体管的器件的专利，但这并不实用。 R. Hilsch和RW Pohl在1938年演示了一种固态放大器，其结构类似于真空管的控制栅格; 虽然器件显示功率增益，但其截止频率为每秒一个周期，对于任何实际应用而言都太低，但是可用理论的有效应用。 在贝尔实验室，William Shockley和A. Holden于1938年开始研究固态放大器.Russell Ohl在1941年观察到硅中的第一个p-n结，当时发现一个样本是光敏感的，边界清晰一端为p型杂质，另一端为n型。 在p-n边界处从样本切下的切片在暴露于光时产生电压。
在法国，在战争期间，HerbertMataré观察到锗基地上相邻点接触之间的放大。 战争结束后，Mataré的团队在贝尔实验室公布“晶体管”后不久宣布了他们的“Transistron”放大器。