半导体（Semiconductor）是指导电性能介于导体（如金属）和绝缘体（如玻璃）之间的材料。半导体在现代电子器件中扮演着核心角色，是制造各种电子元件（如晶体管、二极管、太阳能电池等）的基础材料。半导体的电学特性可以通过外部条件（如温度、光照、掺杂等）灵活调控，因此非常适合用于开关、放大和转换电信号等功能。

1. 基本性质

• 导电性介于导体和绝缘体之间：半导体材料在常温下的电导率比导体低，但比绝缘体高。导体中的电子很容易自由移动，而在绝缘体中电子几乎不能移动。半导体在两者之间，其导电性在一定条件下可以被增强或削弱。

• 带隙：半导体材料的导电性与其能带结构密切相关。能带结构是量子力学中描述电子在材料中可能占据的能量状态。半导体的带隙（价带与导带之间的能量差距）通常在0.1到3电子伏特（eV）之间。

  • 价带（Valence Band）：电子在其中是束缚态，不易流动。
  • 导带（Conduction Band）：电子可以自由移动，从而产生电流。
  • 半导体的带隙大小决定了电子从价带跃迁到导带所需的能量。

• 温度依赖性：半导体的导电性随温度上升而增加。这与导体不同，导体的电阻随着温度上升而增加。因为当温度升高时，更多的电子获得足够的能量跃迁到导带，使得材料导电性增强。

2. 类型

根据材料的纯净度和导电方式，半导体可以分为以下几类：

（1）本征半导体（Intrinsic Semiconductor）

本征半导体是指没有任何杂质的纯净半导体，其导电性完全依赖于材料本身的特性。最常见的本征半导体材料包括：

• 硅（Si）：现代电子器件中最常用的半导体材料。它具有稳定的晶体结构和适中的带隙（约1.1 eV），并且易于加工和掺杂。
• 锗（Ge）：导电性较高，带隙较小（约0.66 eV），但由于锗的温度稳定性较差，在现代应用中不如硅广泛使用。

在本征半导体中，导电性来源于热激发或外界能量（如光照）使价带中的电子跃迁到导带形成导电电子，同时在价带中留下正电荷空位（空穴）。这些电子和空穴的运动构成了电流。

（2）掺杂半导体（Extrinsic Semiconductor）

掺杂半导体通过引入少量杂质原子来改变其导电性质，掺杂分为两种类型：

• N型半导体：通过在半导体中掺入具有更多价电子的杂质原子（如磷、砷），这些原子提供额外的自由电子。N型半导体的主要导电载流子是电子，电子的浓度远高于空穴。

  施主杂质+半导体→电子导电

• P型半导体：通过掺入价电子较少的杂质原子（如硼、铝），这些原子会在晶格中留下电子空位（空穴）。P型半导体的主要导电载流子是空穴。

  受主杂质+半导体→空穴导电

掺杂改变了半导体的载流子浓度，使其导电性增强或削弱，能更有效地控制电子器件的性能。

3. 半导体的能带结构

半导体材料的电子在能量上只能占据特定的区域，形成价带和导带。它们之间的能量差距被称为带隙（Band Gap）。带隙的大小决定了半导体的导电性。

• 导带：处于导带中的电子可以自由移动，从而形成电流。

• 价带：价带中的电子是束缚态，它们不能自由移动。

• 带隙：半导体的带隙比绝缘体小，但比导体大。通常，外界能量（如热、光或电场）可以促使电子跃迁到导带中，从而参与导电。

4. 半导体的导电机理

半导体的导电依赖于两种载流子：电子和空穴。

• 电子：当电子从价带跃迁到导带时，它们可以自由移动，从而产生导电。

• 空穴：当电子离开价带时，在其原来的位置留下一个正电荷空穴。空穴可以通过周围的电子填补，表现为空穴的“移动”。空穴的运动方向与电子相反。

在掺杂半导体中，N型材料中的导电主要靠电子，而P型材料中的导电主要靠空穴。

5. 半导体的应用

半导体材料在现代电子器件中起着至关重要的作用，它们的可调控导电性使其成为各种电子元件的核心。以下是一些重要应用：

• 晶体管：晶体管是所有现代电子设备的基础元件，它依赖半导体材料的开关特性。晶体管可以用来控制电流的开闭，从而实现信号放大、开关和调制。

• 二极管：二极管是利用P-N结制作的器件，它允许电流单向流动，用于整流、信号调制等。

• 光电器件：包括光电二极管、光伏电池和发光二极管（LED），半导体材料在这些器件中用于将光能和电能相互转换。

• 集成电路（IC）：现代集成电路中使用了大量的半导体器件（如晶体管）在微小的芯片上实现复杂的电子功能。

• 太阳能电池：利用半导体的光生伏打效应来将光能转换为电能。