半导体

三种导电性不同的材料比较，金属的价电带与导电带之间没有距离，因此电子（红色实心圆圈）可以自由移动。绝缘体的能隙宽度最大，电子难以从价电带跃迁至导电带。半导体的能隙在两者之间，电子较容易跃迁至导电带中。
半导体（Halbleiter, Semiconductor, Semi-conducteur），是一种电导率在绝缘体至导体之间的物质或材料。在一定温度范围内，半导体的电荷载流子浓度会随着温度升高而增加，在宏观上表现为电导率上升、电阻率下降；而在绝对零度时，则成为绝缘体。依有无加入掺杂剂，半导体可分为：本征半导体、杂质半导体（n型半导体、p型半导体）。
电导率容易受控制的半导体，可作为资讯处理的元件材料。从科技或是经济发展的角度来看，半导体非常重要。很多电子产品，如电脑、移动电话、数字录音机的核心单元都是利用半导体的电导率变化来处理资讯。常见的半导体材料有：第一代（另一种定义/说法：第一「类」）的硅、锗，第二代（类）的砷化镓、磷化铟，第三代（类）的氮化镓、氧化锌、氮化铝、碳化硅等；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。
材料的导电性是由导带中含有的电子数量决定。当电子从价带获得能量而跳跃至导电带时，电子就可以在带间任意移动而导电。一般常见的金属材料其导电带与价电带之间的能隙非常小，在室温下电子很容易获得能量而跳跃至导电带而导电，而绝缘材料则因为能隙很大（通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至导电带，所以无法导电。
一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的能量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导电。
半导体通过电子传导或电洞传导的方式传输电流。电子传导的方式与铜线中电流的流动类似，即在电场作用下高度电离的原子将多余的电子向着负离子化程度比较低的方向传递。电洞导电则是指在正离子化的材料中，原子核外由于电子缺失形成的「空穴」，在电场作用下，空穴被少数的电子补入而造成空穴移动所形成的电流（一般称为正电流）。
材料中载流子（carrier）的数量对半导体的导电特性极为重要。这可以通过在半导体中有选择的加入其他「杂质」（IIIA、VA族元素）来控制。如果我们在纯矽中掺杂（doping）少许的砷或磷（最外层有5个电子），就会多出1个自由电子，这样就形成n型半导体；如果我们在纯矽中掺入少许的硼（最外层有3个电子），就反而少了1个电子，而形成一个电洞（hole），这样就形成p型半导体（少了1个带负电荷的原子，可视为多了1个正电荷）。
普通半导体如硅、砷化镓、碳化硅等材料中的电子和空穴通常可以用非相对论性的抛物线型色散关系来描述其能量-动能关系，而在最近研发的新型半导体中，包括由麻省理工学院的唐爽和崔瑟豪斯夫人提出的准狄拉克材料、半狄拉克材料等（唐-崔瑟豪斯理论），电子和空穴可以具有不同的相对论效应。这些相对论性的新型半导体材料或可引领下一代计算机芯片、能源装置的研发。

**概括**
上图为绝缘体，中图为半导体，下图为导体。紫色区块为传导带，绿色区块为价电带。半导体和绝缘体之间的差异主要来自两者的能带间隙（Bandgap）宽度不同。
半导体和绝缘体之间的差异主要来自两者的能带宽度不同。绝缘体的能带比半导体宽，意即绝缘体价带中的载子必须获得比在半导体中更高的能量才能跳过能带，进入导带中。室温下的半导体导电性有如绝缘体，只有极少数的载子具有足够的能量进入导带。因此，对于一个在相同电场下的本征半导体和绝缘体会有类似的电特性，不过半导体的能带宽度小于绝缘体也意味着半导体的导电性更容易受到控制而改变。
纯质半导体的电气特性可以借由植入杂质的过程而永久改变，这个过程通常称为掺杂。依照掺杂所使用的杂质不同，掺杂后的半导体原子周围可能会多出一个电子或一个电洞，而让半导体材料的导电特性变得与原本不同。如果掺杂进入半导体的杂质浓度够高，半导体也可能会表现出如同金属导体般（类金属）的电性。在掺杂了不同极性杂质的半导体界面处会有一个内建电场（built-in electric field），内建电场和许多半导体元件的操作原理息息相关（例如太阳能电池电子与电洞对的搜集就是靠内建电场来作用），而掺杂后的半导体有许多电性也会有相对应的变化。
除了借由掺杂的过程永久改变电性外，半导体亦可因为施加于其上的电场改变而动态地变化。半导体材料也因为这样的特性，很适合用来作为电路元件，例如电晶体。电晶体属于主动式的（有源）半导体元件（active semiconductor devices），当主动元件和被动式的（无源）半导体元件（passive semiconductor devices）如电阻器或是电容器组合起来时，可以用来设计各式各样的集成电路产品，例如微处理器。
当电子从导带掉回价带时，减少的能量可能会以光的形式释放出来。这种过程是制造发光二极体以及半导体雷射的基础，在商业应用上都有举足轻重的地位。而相反地，半导体也可以吸收光子，透过光电效应而激发出在价带的电子，产生电讯号。这即是光探测器的来源，在光纤通讯或是太阳能电池的领域是最重要的元件，也是相机中CMOS Image Sensor主要的运作原理。
半导体有可能是单一元素组成，例如矽。也可以是两种或是多种元素的化合物，常见的化合物半导体有砷化镓或是磷化铝铟镓（aluminium gallium indium phosphide, AlGaInP）等。合金也是半导体材料的来源之一，如矽锗或是砷化镓铝（aluminium gallium arsenide, AlGaAs）等。

**电导率**
在常温下，半导体的电导率介于金属导体（～ S/m）和绝缘体（ （晶体缺陷）通常是影响元件性能的主因。
目前用来成长高纯度单晶半导体材料最常见的方法称为柴可拉斯基制程（钢铁场常见工法）。这种制程将一个单晶的晶种（seed）放入溶解的同材质液体中，再以旋转的方式缓缓向上拉起。在晶种被拉起时，溶质将会沿着固体和液体的介面固化，而旋转则可让溶质的温度均匀。

**全球制造企业**
尔必达于2012年5月宣告破产，2013年7月由美光完成并购。

**十大公司**
截止到2020年6月，根据TTM对全球半导体公司收入的追踪，整理出全球十大半导体公司（此列表仅限于直接或者通过美国或加拿大公开交易的公司，一般外国的公司会每半年提交报告一词，因此滞后时间会更长，所有数据截止2020年6月18日，所有数据由YCharts提供 10 Biggest Semiconductor Companiesdate=20200806225737 

**应用**
半导体器件可以通过结构和材料上的设计达到控制电流传输的目的，并以此为基础构建各种处理不同信号的电路。这是半导体在当前电子技术中广泛应用的原因。

**延伸阅读**

**材料科学**
 导体- 绝缘体- 半导体材料- PN结

**物理学**
 固体物理学- 物理化学- 热力学- 电路学- 电子学- 集成电路

**工业**
 半导体器件制造- 半导体封装

**参考来源**
文献- id= ISBN 978-0-471-88758-4-  id=ISBN 978-0-471-05661-4
*上册：
*下册：-  id=ISBN 978-0-13-046404-0-  id=ISBN 978-3-662-66187-1-  id=ISBN 978-3-540-41323-3- id=ISBN 0-07-232107-5
引用

**相关条目**
 电子- 电路

**外部连结**
  Howstuffworks' semiconductor pagedate=20080705171905 -  US Navy Electrical Engineering Training Series-  NSM-Archivedate=20090306114230  Physical Properties of Semiconductors-  Semiconductor Concepts at Hyperphysicsdate=20090822021835 -  Principles of Semiconductor Devicesdate=20090213122751  by Bart Van Zeghbroeck, University of Colorado- Semiconductor OneSource  Hall of Famedate=20091009135303 、 Glossary-  SiliconFarEast.comdate=20061110035335  What is a semiconductor?

**行业网站**
  半导体学院date=20200828004355 - 半导体技术天地-  半导体-  半导体.