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半导体
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知名于	集成电路的主要材料

半导体 （ semiconductor），指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间的材料。

半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。如二极管就是采用半导体制作的器件。半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。

基本信息

中文名称	半导体	物质形式	气体、等离子体等
外文名称	semiconductor	应用	集成电路
导电性能	导体与绝缘体之间	发现时间	1833年
代表材料	硅、锗、砷化镓	电阻率	10-3～10-9 W•cm

半导体的概念

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所谓半导体，顾名思义，就是它的导电能力介乎导体和绝缘体之间，半导体的电阻率为10-3～10-9 W•cm。

物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等。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。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。半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚, 成为自由电子, 也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧, 因此, 半导体的导电特性介于二者之间。

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的电子材料，其电阻率在10（U-3）~10（U-9）欧姆/厘米范围内。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。 半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。

常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。用得最多的半导体是锗（zhě）和硅（guī），都是四价元素。 一种银白色的硬而脆的金属元素,呈二价及四价,用作半导体(如在晶体管中) [germanium]――元素符号Ge 锗 zhě金属化学元素。符号Ge。灰白色结晶，有光泽。它是一种重要的半导体材料。主要用于制晶体管、整流器等。

半导体的类型

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本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。

参杂半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。

发展历史

1833年，英国巴拉迪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。这是半导体现象的首次发现。

1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。

1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。半导体的这四个效应，(jianxia霍尔效应的余绩──四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。

1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。

2015年中国在公布的“中国制造2025”战略中提出培育半导体产业。为此，中国地方政府竞相利用优惠政策吸引国内外的半导体相关企业。

2018年4月11日，复旦大学微电子学院教授张卫、周鹏团队成员刘春森在实验室内对硅片进行切割。张卫、周鹏团队实现了具有颠覆性的二维半导体准非易失存储原型器件，开创了第三类存储技术。中国大型半导体企业紫光集团旗下的长江存储科技在湖北省武汉市推进的三维NAND的量产项目，爱德万测试的销售负责人称“估计将在2018年底到2019年迅速实现量产”。

2018年4月24日，《日本经济新闻》预计最早在2018年底开始向市场供应尖端产品三维NAND型闪存芯片。曾在液晶面板等众多产业出现的产品供给过剩也可能在半导体领域引发价格下跌。

主要特点

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半导体五大特性∶掺杂性，热敏性，光敏性，负电阻率温度特性，整流特性。

在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。

半导体的应用

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硅在当前的应用相当广泛，他不仅是半导体集成电路，半导体器件和硅太阳能电池的基础材料，而且用半导体制作的电子器件和产品已经大范围的进入到人们的生活，人们的家用电器中所用到的电子器件80%以上与案件都离不开硅材料。锗是稀有元素，地壳中的含量较少，由于锗的特有性质，使得它的应用主要集中与制作各种二极管，三极管等。而以锗制作的其他钱江如探测器，也具有着许多的优点，广泛的应用于多个领域。

有机半导体材料具有热激活电导率，如萘蒽，聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的络合物，有机半导体材料可分为有机物，聚合物和给体受体络合物三类。有机半导体芯片等产品的生产能力差，但是拥有加工处理方便，结实耐用，成本低廉，耐磨耐用等特性。

非晶半导体按键合力的性质分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体两类，可用液相快冷方法和真空蒸汽或溅射的方法制备。在工业上，非晶半导体材料主要用于制备像传感器，太阳能锂电池薄膜晶体管等非晶体半导体器件。

化合物半导体材料种类繁多，按元素在周期表族来分类，分为三五族，二六族，四四族等。如今化合物半导体材料已经在太阳能电池，光电器件，超高速器件，微波等领域占据重要位置，且不同种类具有不同的应用。总之，半导体材料的发展迅速，应用广泛，随着时间的推移和技术的发展，半导体材料的应用将更加重要和关键，半导体技术和半导体材料的发展也将走向更高端的市场。

当前化合物半导体产业发展主要体现在以下五个方面。

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1.消费类光电子。光存贮、数字电视与全球家用电子产品装备无线控制和数据连接的比例越来越高，音视频装置日益无线化。再加上笔记本电脑的普及，这类产品的市场为化合物半导体产品的应用带来了庞大的新市场。

2.汽车光电子市场。目前汽车防撞雷达已在很多高档车上得到了实用，将来肯定会越来越普及。汽车防撞雷达一般工作在毫米波段，所以肯定离不开砷化镓甚至磷化铟，它的中频部分才会用到锗硅。由于全球汽车工业十分庞大，因此这是一个必定会并发的巨大市场。

3.半导体照明技术的迅猛发展。基于半导体发光二极管（LED）的半导体光源具有体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快、环保、耐冲击不易破、废弃物可回收，没有污染，可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点，具有重大的经济技术价值和市场前景。

特别是基于LED的半导体照明产品具有高效节能、绿色环保优点 ，目前LED已广泛用于大屏幕显示、交通信号灯、手机背光源等，开始应用于城市夜景美化亮化、景观灯、地灯、手电筒、指示牌等，随着单个LED亮度和发光效率的提高，即将进入普通室内照明、台灯、笔记本电脑背光源、LCD显示器背光源等，因而具有广阔的应用前景和巨大的商机。

4.新一代光纤通信技术。新一代的40Gbps光通信设备不久将会推向市场，代替25Gbps设备投入大量使用。而这些设备中将大量使用磷化铟、砷化镓、锗硅等化合物半导体集成电路。

5.移动通信技术正在不断朝着有利于化合物半导体产品的方向发展。目前二代半（2.5G）技术成为移动通信技术的主流，同时正在逐渐向第三代（3G）过渡。二代半技术对功放的效率和散热有更高的要求，这对砷化镓器件有利。3G技术要求更高的工作频率，更宽的带宽和高线性，这也是对砷化镓和锗硅技术有利的。目前第四代（4G）的概念已明确提出来了。4G技术对手机有更高的要求。它要求手机在楼内可接入无线局域网（WLAN），即可工作到2.4GHz和5.8GHz，在室外可在二代、二代半、三代等任意制式下工作。

因此这是一种多功能、多频段、多模式的移动终端。从系统小巧来说，当然会希望实现单芯片集成（SOC），但单一的硅技术无法在那么多功能和模式上都达到性能最优。要把各种优化性能的功能集成在一起，只能用系统级封装（SIP），即在同一封装中用硅、锗硅、砷化镓等不同工艺来优化实现不同功能，这就为砷化镓带来了新的发展前景。

半导体材料的发展

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第一代半导体材料

主要以硅（Si）、锗（Ge）为主，20世纪50年代，Ge在半导体中占主导地位，主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中，但是Ge半导体器件的耐高温和抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被Si器件取代。

用Si材料制造的半导体器件，耐高温和抗辐射性能较好。Si储量极其丰富，提纯与结晶方便，二氧化硅（SiO2）薄膜的纯度很高，绝缘性能很好，这使器件的稳定性与可靠性大为提高，因此Si已经成为应用最广的一种半导体材料。

目前95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路都是由Si材料制作。在21世纪，它的主导和核心地位仍不会动摇。但是Si材料的物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。

第二代半导体材料

20世纪90年代以来，随着移动通信的飞速发展、以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网的兴起，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代半导体材料开始崭露头脚。GaAs、InP等材料适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料，广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信、GPS导航等领域。但是GaAs、InP材料资源稀缺，价格昂贵，并且还有毒性，能污染环境，InP甚至被认为是可疑致癌物质，这些缺点使得第二代半导体材料的应用具有很大的局限性。

第三代半导体材料

主要包括SiC、GaN、金刚石等，因其禁带宽度（Eg）大于或等于2.3电子伏特（eV），又被称为宽禁带半导体材料。和第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。

是半导体材料领域最有前景的材料，在国防、航空、航天、石油勘探、光存储等领域有着重要应用前景，在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战略行业可以降低50%以上的能量损失，最高可以使装备体积减小75%以上，对人类科技的发展具有里程碑的意义。

半导体领域十大突破

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一、硅基导模量子集成光学芯片研制成功

二、首个打破物理极限的1nm晶体管诞生

三、碳纳米晶体管性能首次超越硅晶体管

四、“石墨烯之父”发现比石墨烯更好的半导体——硒化铟（InSe）

五、人类首次飞秒拍摄到了半导体材料内部的电子运动

六、美国犹他大学工程师最新发现新型二维半导体材料一氧化锡（SnO）

七、德国开发出新型有机无机杂化“人工树叶”

八、新型无机半导体材料SnIP具有DNA的双螺旋结构

九、首块纳米晶体“墨水”制成的晶体管问世

十、美国科学家设计超材料以光子形式释放能量传递信息

外部连结

• 半导体材料领域十大突破

• 二维半导体制备及非线性光学特性研究获突破