什么是半导体？工程原理与应用综合指南

　　半导体、纯半导体和纯元素

　　纯元素不是半导体，因为它们有一个填充的价带和一个空的导带，这意味着它们不具有作为半导体所必需的电学性质。对于一种半导体材料，它必须有一个部分填充的价带和一个空的导带。这使得当能量施加到材料时，电子从价带移动到导带，这是材料导电所必需的。

　　铜、铝和金等纯元素是非半导体材料的例子。然而，一些纯元素如硅和锗可以被掺杂以制造半导体。当在纯元素中加入少量杂质时，会在材料中产生一个具有不同电特性的区域。这对于制造p型和n型半导体是有用的，这对于制造诸如晶体管和集成电路的电子器件是必要的。纯半导体，如本征硅或锗，是没有有意掺杂杂质的半导体。这些材料具有部分填充的价带和空的导带，这使它们能够导电，但不如掺杂半导体有效。

　　本征半导体可用于研究半导体的基本特性，以及制造光电二极管和辐射探测器等器件。然而，它们不像掺杂半导体那样常用于电子器件中，因为它们不具有与掺杂半导体一样好的电性能。

　　半导体材料

　　电气设备设计的一个重要组成部分是为正确的应用选择正确的半导体材料。材料的选择取决于诸如所需的电性能、热稳定性和制造兼容性等因素。一些最常用的半导体材料包括硅、锗和化合物半导体，如砷化镓和磷化铟。设计电气设备时，考虑每种材料的优缺点非常重要。

　　硅

　　硅是应用最广泛的半导体材料，占全球半导体市场的90%以上。它的流行可以归因于几个因素，包括其丰富的可用性，因为它是地壳中第二丰富的元素。硅还具有1.12 eV的相对较大的带隙，这在导电性和热稳定性之间提供了良好的平衡。

　　硅的主要优点之一是其优异的热性能。硅具有高熔点(1414°C)和低热膨胀系数，这使得它能够在很宽的温度范围内保持其结构完整性和电气性能。这使得硅成为高温应用的理想材料，如电力电子和汽车系统。硅的独特电子性质是由于它能够与其他元素形成共价键，这使得它能够产生稳定的晶格结构，通常称为硅晶体。

　　硅还受益于几十年来发展和完善的成熟的制造基础设施。成熟的硅制造技术使得能够生产高质量、可靠且具有成本效益的半导体器件。一些常见的硅基器件包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)双极结型晶体管(BJT)和硅基太阳能电池。

　　然而，硅并非没有其局限性。例如，与其他半导体材料相比，它的电子迁移率相对较低，这可能会限制高速电子器件的性能。此外，硅是间接带隙材料，这使得它在发光应用中效率较低，例如发光二极管(led)和激光二极管。

　　锗

　　锗是另一种重要的半导体材料，尽管它不如硅常用。在半导体技术的早期，锗是第一种用于制造晶体管的材料，但由于其优越的热性能和丰富的可用性，后来被硅取代。然而，锗仍然具有一些独特的性质，使其成为某些应用的有吸引力的选择。

　　锗的主要优点之一是其高电子迁移率，大约是硅的三倍。这一特性使得锗基器件能够以更高的速度工作，从而适用于射频(RF)通信系统和高速数字电路等高频应用。

　　与硅相比，锗还具有更小的带隙(0.66 eV)，这导致室温下更高的本征载流子浓度。这种性质对于某些应用是有利的，例如红外(IR)探测器和热电装置，其中需要更高的载流子浓度。

　　然而，锗具有一些限制其在半导体器件中广泛使用的缺点。主要挑战之一是其热稳定性差，因为锗的熔点较低(937°C ),而热膨胀系数比硅高。这使得锗基器件更容易热降解，并限制了它们在高温应用中的使用。

　　与硅相比，锗的另一个限制是其更高的成本，这是由于其更低的自然丰度和更复杂的制造工艺。尽管面临这些挑战，锗仍然是特殊应用的重要半导体材料，如高速晶体管、红外探测器和高级太阳能电池。