1947 年利用半导体材料锗制成的第一个晶体三极管问世，诞生地是美国新泽西州的贝尔电话实验室，发明人是三位美国科学家肖克莱 (W ． shockley ， 1910 — 1989) 、巴丁 (J ． Bardeen ， 1908 — 1991) 和布拉顿 (W ． H ． Brattain ， 1902 一 ) 。这一发明，具有划时代的历史意义，引起现代电子学的革命，一门新的交叉学科——微电子学诞生了，并获得迅速发展。因此，他们三人获得 1956 年诺贝尔物理学奖。1958 年半导体硅集成电路的诞生，吹响了以集成电路为核心的微电子技术发展的号角。微电子技术正是电子计算机和当今信息技术发展的基础。
一、什么是半导体
1 、晶体的能带
在当今社会中，具有特殊电性能的功能材料几乎被应用到各个科技领域。从电性能角度讲，固体可划分为导体、半导体和绝缘体三类。如何从固体中电子能级的能带结构来定量讨论这种划分，则必须利用量子力学，这里只作定性介绍。
我们知道单个原子中处于束缚态的电子能量是量子化的，只有当它脱离原子核的束缚成为自由电子后，其能量才是连续的。在单个原子中，某一电子只受到原子核和同一原子中其他电子的相互作用。当大量原子组成晶体后，由于原子之间的距离与原子自身的线度皆为 10 -10 米数量级。所以，一个原子中的电子还将受到周围原子的作用，显然最外层的未满壳层的价电子受其他原子的作用更强。量子力学汁算表明，晶体是电子所处的能量状态将由孤立原子中的一系列能级变为一系列能带。对 N 个原子所组成的晶体，每个能带将由 N 个能差非常小的能级所组成。由于在孤立原子中每条能级上只能容纳有限个电子，在每—个能带上的电子数，虽要增加 N 倍，但仍只能容纳有限个电子。在基态时，总是低能量的能带先被占据，逐步向上填。由价电子所填充的带称为价带。若价带中所有状态都被价电于占满，称为满带；末被占满的价常，称为导带；没有电子的能带，称为空带 ( 见图 1) 。
满带中的电子对于导电是没有贡献的。只有在导带中的电子 ( 称为自由电子 ) 才对导电有贡献，这些电子来自原子结构中外层轨道上的价电子。
2 、导体、绝缘体和半导体的划分
利用上述的能带模型，可将固体划分为导体、半导体和绝缘体 ( 见图 1) 。
（ 1 ）导体
善于传导电流的物质称为导体。常见的导体有金属、电解质水溶液、电离气体等。对金属来说，内层电子能量较低，充满能带，故不参与导电。金属多数是一价的，每个原子的外层轨道有一个价电子，故晶体中 N 个价电子不能填满一个能带而形成导带。在外电场作用下导带中的自由电子可从外电场吸收能量，跃迁到自身导带中未被占据的较高能级上，形成电流。金属的电阻率很小，约为 10-8
--10-6 欧姆·米，其传导电流的载流子就是晶体内部为所有原子所共有的那些自由电子。在金属中自由电子数密度很大，约为 1022 个／厘米3 。
（ 2 ）绝缘体
绝缘体的电阻率极高，约为 108
-- 1020 欧姆·米。绝缘体在形态上可分为固态、液态和气态。固态绝缘体中又分为非晶态 ( 如塑料、橡胶、玻璃等 ) 和晶态 ( 如云母、金刚石等 ) 两类。
晶态绝缘体能带的结构与导体的不同点是；电子恰好填满能量低的能带，其他的能带都是空的，亦即绝缘体中不存在导带，只有满带和空带。满带和空带之间不可能存在电子的能量区域被称为禁带。绝缘体的基本特征就是禁带的宽度 ( 又称能隙 )Eg 很大，约为 3 — 6 电子伏。电子很难在热激发或外电场作甩下获得足够的能量由满带跃入空带。以金刚石为例，在两个碳原子相距 15 纳米时， Eg =5.33 电子伏，满带中电子很难具有这样大的能量而进入上面的空带形成自由电子，因此金刚石是很好的绝缘体。
（ 3 ）半导体
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，电阻率约为 10-5
-- 107 欧姆·米，半导体的能带结构与绝缘体类似。在绝对零度时，只存在满带和空带。与绝缘体不同的是禁带较窄，约为 0.1 — 2 电子伏。例如，常用的半导体硅 Eg ＝ 1.14 电子伏，锗 Eg ＝ 0.67 电子伏，砷化嫁的 Eg ＝ 1.43 电子伏。图 l是晶体能带结构示意图。在室温下，在外界光、热、电作用下能容易地把满带中能量较高的电子，激发到空带中，把空带变为导带。同时，在满带中留下一些电子空位，这些空位称为空穴，可看成是带正电荷的准粒子。在半导体中，一方面，在外电场作用下，导带中电子作定向运动，形成电流，起导电作用；另一方面，满带中的空穴，在外电场作用下，将被其他能态的电子进来填充，同时，在这个电子能态中又产生了新的空穴，于是就出现了电子填补空穴的运动。在电场作用下，填补空穴的电子也作定向移动，形成电流。这种电子填补空穴的运动，完全相当于带正电的空穴在作与电子运动方向相反的运动。为了区别于自由电子的导电，这种导电称之为空穴导电，空穴被看作是一种带正电荷的载流子。导带中自由电子的导电和满带中空穴导电是同时存在的，宏观上的电流就是电子电流和空穴电流的代数和。满带中的空穴数和导带中的电子数正好相等，都是参与导电的载流子。在半导体中自由电子数密度为 101--1019 个／厘米3 。由此也可看出，半导体导电与金属导电的差别，那就是金属中只有自由电子参与导电，而半导体中导带中电子和满带中空穴都参与导电。半导体中自由电子数目较小，这就有可能通过外部电作用来控制其中的电子运动．这对半导体材料的应用非常有意义。
半导体的电阻率随温度不同而明显变化。温度升高时，有更多的电子被热激发，使满带中的空穴数和导带中的电子数急剧增加，导电性能大大提高，电阻率相应地大大降低。
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二、本征半导体和杂质半导体
1 ．本征半导体
上面提到的半导体，指的是不含杂质的纯净半导体，称为本征半导体，它不适宜实际应用。在实际应用中主要是杂质半导体，这是由于半导体的一个显著特点是其性能对杂质很敏感，即使是极微量的杂质，也能对半导体材料的物理和化学性质产生极其明显的影响。举一个例子，若在硅中按原子数量掺入十万分之一的硼，其导电性能将提高 1000 倍。因此可在半导体中某—区域掺入不同数量或不同种类的杂质，就可产生各种类型的半导体。
2 ． n 型和 p 型半导体
杂质半导体中以电子导电为主的称为 n 型半导体；以空穴导电为主的称为 p 型半导体。半导体硅和锗都是共价键结构。硅和锗都是四价元素，都有四个价电子，因此每个共价键中有两个价电子。当其中一个硅 ( 或锗) 原子被一个五价元素的杂质原子 ( 如磷、砷等 ) 替代后，则多余的一个价电子就成为一个自由电子，使导电的自由电子增多，见图 2 ，这种半导体称为 n 型半导体。
相反，如果在硅 ( 或锗 ) 半导体中，一个硅 ( 或锗 ) 原子被一个三价元素 ( 如硼、镓等 ) 的原子替代后，则就多出一个空穴来，见图 3 。这种半导体称为 p 型半导体，空穴增多，是以空穴导电为主。 
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三、半导体硅材料
目前估计世界上 95 ％以上的半导体器件是用硅制成的。其原因：一是由于硅在地壳中的含量很高，占地壳总重量的 27 ． 7 ％，成本低廉；二是因为硅禁带宽度较大，硅掺杂后做成的器件随温度变化比锗等半导体材料小得多，因此器件性能较稳定；三是硅机械强度高，结晶性好，其提炼和制成单晶的工艺较成熟，可以拉制出直径达 30 厘米的大尺寸单晶。
自然界中存在的硅，通常以二氧化硅 ( 石英砂 ) 形式出现。要提炼出硅，一般采用高温下的还原反应，还原反应得到的硅其纯度约为 98 ％，必须再经过提纯，使硅的含量达到 99 ． 999 ％以上 ( 简称五个九以上 ) 才能做器件。而做大规模集成电路则要八个九以上，这是因半导体器件的导电性能，对极少量的杂质就非常敏感，故必须提得很纯。纯度达到要求后，还要把硅拉成单晶硅，才能使自由电子的运动不受阻碍，做成适用的器件。目前单晶硅是人工能获得的最纯、最完整的晶体材料。
除了硅以外，砷化镓目前是第二种最重要的半导体材料。这是由于利用砷化镓所制成的集成电路在响应速度、耐高温、抗辐照方面都优于硅集成电路。目前其商品数量、品种在不断扩大，性能不断提高。但是，由于砷化镓器件制作技术难度大、价格昂策，限制了它的发展。
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四、半导体材料的应用简介
1.p — n 结和晶体管
在一块硅片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成 n 型半导体，另一边形成 p 型半导体，那么在两种半导体交界面的区域中，就形成了 p — n 结。 p — n 结是构成各种半导体器件的基础。
p 型半导体中空穴多， n 型半导体中自由电子多。因此，在交界面上出现浓度差， n 区的电子必然向 p区运动； p 区的空穴就必然向 n 区运动。这种出于浓度差引起的运动称为扩散。扩散到 p 区的电子因与空穴复合而消失，使在 p 区一侧出现负离子区；扩散到 n 区的空穴与电子复合而消失，使在 n 区一侧出现正离子区。于是，在界面处．出现了由正、负离子组成的空间电荷区，如图 4 所示。在空间电荷区形成了一个 n 区指向 p 区的内电场。这种内电场将阻止扩散的进行，最终将达到平衡，空间电荷区保持一定宽度，在 p — n结中电流为零。 
p-n 结重要的特性之一是它的单向导电性。
当 p 介结加正向电压时，即在 p 区接电源正极， n 区接负极。此时，外电场方向与内电场方向相反，使原来的平衡状态受到破坏，使电子向 p 区扩散增加；同理，也增加空穴向 n 区的扩散，形成了相当大的正向电流。若 P 区按负极， n 区接正被，则外电场与内电场同方向，这样就更加强了阻 IL 电子和空穴的扩散，使反向电流很小。这种大的正向电流、很小的反向电流就是 p-n 结的单向导电特性。p-n 结还有许多其他特性，不一一介绍了。
平时常用的半导体二极管就是由 p-n 结加上引出线和管壳构成的。极型三极管是由两个背向 pn 结所组成的双极型晶体管构成。图 (5-a) 所示是 npn 型三极管。由图可见，它有三个区，分别称为发射区、基区和集电区；由三个区各引出一个电极，分别称为发射极、基极和集电极。在中间有两个 p-n 结，为发射结和集电结。这种由两块 n 型半导体中间夹一块 p 型半导体的管子称 npn 管。图 (5-b) 是 npn 三极管的符号。同样，有 pnp 三极管。三极管的重要待性是具有放大作用。各种结构有所不同的二极管和三极管正是集成电路的主要组 成元件。 
2. 集成电路
集成电路是 50 年代末诞生的一种半导体器件，它采用一定的生产工艺把二极管、三极管等晶体管，以及电阻、电容等元件做在一块半导体芯片上，并用金属薄膜条 ( 一般用铝 ) 作为连线，将这些元件连成具有某种功能的电路，然后封装成一个多脚的器件。它的制造工艺
比较复杂，大致讲要经过氧化、光刻、扩散掺杂。在硅片的指定区域将选定的杂质从表面向体内掺入一定的深度，形成各种所需要的晶体管、电阻、电容等元件。氧化工艺，主要是在硅片表面制造一薄层二氧化硅(SiO2 )，作为绝缘层和阻挡层。然后用类似照相技术的光刻工艺在表面按特定设计要求产生没有二氧化硅的
窗口，接着利用扩散法或离子注入法进行掺杂，由于二氧化硅的阻挡，杂质只能从没有二氧化硅的特定窗口中掺入进去，达到选择掺杂的目的。实际生产中，反复利用上述方法，进行多次掺杂，以在芯片中制造出各种元件。最后在硅片上涂一层铝膜，仍用光刻技术在芯片上按预先设计要求除去无用的铝膜，留下作元件之间连接用的及用作引出线的铝膜部分。这就是集成电路（图6）的大致制作过程。 
上述的集成电路工艺有两个重要特点，一是在制造过程中及结束后， p-n结都由氧化膜保护着，不接触空气，不受沾污损伤，使电路性能好，且可靠；二是各种元件以及元件间的隔离区的形状都是用光刻技术完成，所以通过光刻线宽的不断缩小，可使元件尺寸不断减小，芯片上的集成度越来越高。利用激光进行光刻，线宽的极限约为0.2微米。利用同步辐射的短波长的X射线进行光刻，可进一步缩小线宽，甚至小于0.1微米。目前利用0.3微米线宽工艺巳在10毫米×20毫米的芯片上集成了1．4亿个元件，即集成密度达70万个元件／毫米3。随着集成电路技术的迅速发展，电子计算机也不断更新换代,而计算机和集成电路技术又是当今信息技术的基础。
3．半导体激光器
光纤通信是未来通信的发展方向，而光通信中用的主要是半导体激光器。下面简要介绍半导体激光器的工作原理。
半导体激光器与发光二极管都是靠材料中的电子和空穴退激时发光，通常硅和锗这类元素半导体退激时大多只引起发热，而在砷化镓、磷化铟之类的化合物半导体中退激时则会发光。砷化镓、磷化铟和锑化镓发近红外线．分别在0.84，0.90和1.5微米波段。 
图 7所示的是GaAs p-n结正向注入式激光器的示意图，半导 体激光器除有 P 区和 n 区外，还有一个中间不掺杂的有源区，当 p-n 结加上正向电压时，所产生的外电场将抵消内电场，电子和空穴分别从 n 区和P 区向有源区注入，在有源区中形成粒子数反转。而且通过解理产生的两个相互平行的光滑表面正好形成谐振腔。在有源区内， 电子由导带向含有空穴的满带退激，产生受激辐射，发射光子，这些光子在两端光滑表面间来回反射又引起新的电子退激，使光子数目不断增加。当光子增益大于损耗时，就形成受激辐射而产生激光。
4．太阳能电池
太阳能电池是利用pd结的光生伏特效应(光伏效应)，当光照射在距表面很近的p-n结时，就会在p-n结上产生电动势，接通外电路即可形成电流。
当入射光子能量大于禁带宽度 E g 时，照射到距表面很近的p-n结上，光子可进入p区、结区和n区。如图8所示，在这三个区域内，光子被吸收产生电子—空穴对，p区内电子可扩散进入结区，被结区中的内电场E 内加速，趋向n区，同理，n区内空穴也被加速进入p区。于是所产生的电子和空穴被分离到结的两边形成电荷累积，p型一侧带正电，n型一侧带负电，最后将在p—n结上建立起稳定的光生电位差，它是开路的，即为光生电动势V 光 。这就成了太阳能电池。 
太阳能电池最重要的参数是电转换效率，非晶硅太阳能电池，转换效率约 10％，成本低；GaAs晶体太阳能电池转换效率可达20％以上，但成本高。太阳能电池目前已广泛应用于人造卫星和航天器上。
另外，根据上述特性，利用半导体材料可制成光和射线的探测器，也有广泛应用。
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