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半導體
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知名於	集成電路的主要材料

半導體 （ semiconductor），指常溫下導電性能介於導體（conductor）與絕緣體（insulator）之間的材料。

半導體在收音機、電視機以及測溫上有着廣泛的應用。如二極管就是採用半導體製作的器件。半導體是指一種導電性可受控制，範圍可從絕緣體至導體之間的材料。無論從科技或是經濟發展的角度來看，半導體的重要性都是非常巨大的。今日大部分的電子產品，如計算機、移動電話或是數字錄音機當中的核心單元都和半導體有着極為密切的關連。常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅更是各種半導體材料中，在商業應用上最具有影響力的一種。

基本信息

中文名稱	半導體	物質形式	氣體、等離子體等
外文名稱	semiconductor	應用	集成電路
導電性能	導體與絕緣體之間	發現時間	1833年
代表材料	硅、鍺、砷化鎵	電阻率	10-3～10-9 W•cm

半導體的概念

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所謂半導體，顧名思義，就是它的導電能力介乎導體和絕緣體之間，半導體的電阻率為10-3～10-9 W•cm。

物質存在的形式多種多樣，固體、液體、氣體、等離子體等。通常把導電性差的材料，如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體。而把導電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體。可以簡單的把介於導體和絕緣體之間的材料稱為半導體。與導體和絕緣體相比，半導體材料的發現是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術改進以後，半導體的存在才真正被學術界認可。半導體材料最外層電子既不像導體那樣極易擺脫原子核的束縛, 成為自由電子, 也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那麼緊, 因此, 半導體的導電特性介於二者之間。

半導體材料

半導體材料是一類具有半導體性能、可用來製作半導體器件和集成電的電子材料，其電阻率在10（U-3）~10（U-9）歐姆/厘米範圍內。半導體材料的電學性質對光、熱、電、磁等外界因素的變化十分敏感，在半導體材料中摻入少量雜質可以控制這類材料的電導率。正是利用半導體材料的這些性質，才製造出功能多樣的半導體器件。 半導體材料是半導體工業的基礎，它的發展對半導體技術的發展有極大的影響。

常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等。用得最多的半導體是鍺（zhě）和硅（guī），都是四價元素。 一種銀白色的硬而脆的金屬元素,呈二價及四價,用作半導體(如在晶體管中) [germanium]――元素符號Ge 鍺 zhě金屬化學元素。符號Ge。灰白色結晶，有光澤。它是一種重要的半導體材料。主要用於制晶體管、整流器等。

半導體的類型

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本徵半導體：不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本徵半導體。

參雜半導體：通過擴散工藝，在本徵半導體中摻入少量合適的雜質元素，可得到雜質半導體。

發展歷史

1833年，英國巴拉迪最先發現硫化銀的電阻隨着溫度的變化情況不同於一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發現硫化銀材料的電阻是隨着溫度的上升而降低。這是半導體現象的首次發現。

1839年法國的貝克萊爾發現半導體和電解質接觸形成的結，在光照下會產生一個電壓，這就是後來人們熟知的光生伏特效應，這是被發現的半導體的第二個特徵。

1873年，英國的史密斯發現硒晶體材料在光照下電導增加的光電導效應，這是半導體又一個特有的性質。半導體的這四個效應，(jianxia霍爾效應的余績──四個伴生效應的發現)雖在1880年以前就先後被發現了，但半導體這個名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結出半導體的這四個特性一直到1947年12月才由貝爾實驗室完成。

1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關，即它的導電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導電，這就是半導體的整流效應，也是半導體所特有的第三種特性。同年，舒斯特又發現了銅與氧化銅的整流效應。

2015年中國在公布的「中國製造2025」戰略中提出培育半導體產業。為此，中國地方政府競相利用優惠政策吸引國內外的半導體相關企業。

2018年4月11日，復旦大學微電子學院教授張衛、周鵬團隊成員劉春森在實驗室內對硅片進行切割。張衛、周鵬團隊實現了具有顛覆性的二維半導體准非易失存儲原型器件，開創了第三類存儲技術。中國大型半導體企業紫光集團旗下的長江存儲科技在湖北省武漢市推進的三維NAND的量產項目，愛德萬測試的銷售負責人稱「估計將在2018年底到2019年迅速實現量產」。

2018年4月24日，《日本經濟新聞》預計最早在2018年底開始向市場供應尖端產品三維NAND型閃存芯片。曾在液晶面板等眾多產業出現的產品供給過剩也可能在半導體領域引發價格下跌。

主要特點

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半導體五大特性∶摻雜性，熱敏性，光敏性，負電阻率溫度特性，整流特性。

在形成晶體結構的半導體中，人為地摻入特定的雜質元素，導電性能具有可控性。在光照和熱輻射條件下，其導電性有明顯的變化。

半導體的應用

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硅在當前的應用相當廣泛，他不僅是半導體集成電路，半導體器件和硅太陽能電池的基礎材料，而且用半導體製作的電子器件和產品已經大範圍的進入到人們的生活，人們的家用電器中所用到的電子器件80%以上與案件都離不開硅材料。鍺是稀有元素，地殼中的含量較少，由於鍺的特有性質，使得它的應用主要集中與製作各種二極管，三極管等。而以鍺製作的其他錢江如探測器，也具有着許多的優點，廣泛的應用於多個領域。

有機半導體材料具有熱激活電導率，如萘蒽，聚丙烯和聚二乙烯苯以及鹼金屬和蒽的絡合物，有機半導體材料可分為有機物，聚合物和給體受體絡合物三類。有機半導體芯片等產品的生產能力差，但是擁有加工處理方便，結實耐用，成本低廉，耐磨耐用等特性。

非晶半導體按鍵合力的性質分為共價鍵非晶半導體和離子鍵非晶半導體兩類，可用液相快冷方法和真空蒸汽或濺射的方法製備。在工業上，非晶半導體材料主要用於製備像傳感器，太陽能鋰電池薄膜晶體管等非晶體半導體器件。

化合物半導體材料種類繁多，按元素在周期表族來分類，分為三五族，二六族，四四族等。如今化合物半導體材料已經在太陽能電池，光電器件，超高速器件，微波等領域占據重要位置，且不同種類具有不同的應用。總之，半導體材料的發展迅速，應用廣泛，隨着時間的推移和技術的發展，半導體材料的應用將更加重要和關鍵，半導體技術和半導體材料的發展也將走向更高端的市場。

當前化合物半導體產業發展主要體現在以下五個方面。

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1.消費類光電子。光存貯、數字電視與全球家用電子產品裝備無線控制和數據連接的比例越來越高，音視頻裝置日益無線化。再加上筆記本電腦的普及，這類產品的市場為化合物半導體產品的應用帶來了龐大的新市場。

2.汽車光電子市場。目前汽車防撞雷達已在很多高檔車上得到了實用，將來肯定會越來越普及。汽車防撞雷達一般工作在毫米波段，所以肯定離不開砷化鎵甚至磷化銦，它的中頻部分才會用到鍺硅。由於全球汽車工業十分龐大，因此這是一個必定會並發的巨大市場。

3.半導體照明技術的迅猛發展。基於半導體發光二極管（LED）的半導體光源具有體積小、發熱量低、耗電量小、壽命長、反應速度快、環保、耐衝擊不易破、廢棄物可回收，沒有污染，可平面封裝、易開發成輕薄短小產品等優點，具有重大的經濟技術價值和市場前景。

特別是基於LED的半導體照明產品具有高效節能、綠色環保優點 ，目前LED已廣泛用於大屏幕顯示、交通信號燈、手機背光源等，開始應用於城市夜景美化亮化、景觀燈、地燈、手電筒、指示牌等，隨着單個LED亮度和發光效率的提高，即將進入普通室內照明、檯燈、筆記本電腦背光源、LCD顯示器背光源等，因而具有廣闊的應用前景和巨大的商機。

4.新一代光纖通信技術。新一代的40Gbps光通信設備不久將會推向市場，代替25Gbps設備投入大量使用。而這些設備中將大量使用磷化銦、砷化鎵、鍺硅等化合物半導體集成電路。

5.移動通信技術正在不斷朝着有利於化合物半導體產品的方向發展。目前二代半（2.5G）技術成為移動通信技術的主流，同時正在逐漸向第三代（3G）過渡。二代半技術對功放的效率和散熱有更高的要求，這對砷化鎵器件有利。3G技術要求更高的工作頻率，更寬的帶寬和高線性，這也是對砷化鎵和鍺硅技術有利的。目前第四代（4G）的概念已明確提出來了。4G技術對手機有更高的要求。它要求手機在樓內可接入無線局域網（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。

因此這是一種多功能、多頻段、多模式的移動終端。從系統小巧來說，當然會希望實現單芯片集成（SOC），但單一的硅技術無法在那麼多功能和模式上都達到性能最優。要把各種優化性能的功能集成在一起，只能用系統級封裝（SIP），即在同一封裝中用硅、鍺硅、砷化鎵等不同工藝來優化實現不同功能，這就為砷化鎵帶來了新的發展前景。

半導體材料的發展

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第一代半導體材料

主要以硅（Si）、鍺（Ge）為主，20世紀50年代，Ge在半導體中占主導地位，主要應用於低壓、低頻、中功率晶體管以及光電探測器中，但是Ge半導體器件的耐高溫和抗輻射性能較差，到60年代後期逐漸被Si器件取代。

用Si材料製造的半導體器件，耐高溫和抗輻射性能較好。Si儲量極其豐富，提純與結晶方便，二氧化硅（SiO2）薄膜的純度很高，絕緣性能很好，這使器件的穩定性與可靠性大為提高，因此Si已經成為應用最廣的一種半導體材料。

目前95%以上的半導體器件和99%以上的集成電路都是由Si材料製作。在21世紀，它的主導和核心地位仍不會動搖。但是Si材料的物理性質限制了其在光電子和高頻高功率器件上的應用。

第二代半導體材料

20世紀90年代以來，隨着移動通信的飛速發展、以光纖通信為基礎的信息高速公路和互聯網的興起，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭腳。GaAs、InP等材料適用於製作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，是製作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料，廣泛應用於衛星通訊、移動通訊、光通信、GPS導航等領域。但是GaAs、InP材料資源稀缺，價格昂貴，並且還有毒性，能污染環境，InP甚至被認為是可疑致癌物質，這些缺點使得第二代半導體材料的應用具有很大的局限性。

第三代半導體材料

主要包括SiC、GaN、金剛石等，因其禁帶寬度（Eg）大於或等於2.3電子伏特（eV），又被稱為寬禁帶半導體材料。和第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，可以滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求。

是半導體材料領域最有前景的材料，在國防、航空、航天、石油勘探、光存儲等領域有着重要應用前景，在寬帶通訊、太陽能、汽車製造、半導體照明、智能電網等眾多戰略行業可以降低50%以上的能量損失，最高可以使裝備體積減小75%以上，對人類科技的發展具有里程碑的意義。

半導體領域十大突破

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一、硅基導模量子集成光學芯片研製成功

二、首個打破物理極限的1nm晶體管誕生

三、碳納米晶體管性能首次超越硅晶體管

四、「石墨烯之父」發現比石墨烯更好的半導體——硒化銦（InSe）

五、人類首次飛秒拍攝到了半導體材料內部的電子運動

六、美國猶他大學工程師最新發現新型二維半導體材料一氧化錫（SnO）

七、德國開發出新型有機無機雜化「人工樹葉」

八、新型無機半導體材料SnIP具有DNA的雙螺旋結構

九、首塊納米晶體「墨水」製成的晶體管問世

十、美國科學家設計超材料以光子形式釋放能量傳遞信息

外部連結

• 半導體材料領域十大突破

• 二維半導體製備及非線性光學特性研究獲突破