半導體

三種導電性不同的材料比較，金屬的價電帶與導電帶之間沒有距離，因此電子（紅色實心圓圈）可以自由移動。絕緣體的能隙寬度最大，電子難以從價電帶躍遷至導電帶。半導體的能隙在兩者之間，電子較容易躍遷至導電帶中。
半導體（Halbleiter, Semiconductor, Semi-conducteur），是一種電導率在絕緣體至導體之間的物質或材料。在一定溫度範圍內，半導體的電荷載流子濃度會隨著溫度升高而增加，在宏觀上表現為電導率上升、電阻率下降；而在絕對零度時，則成為絕緣體。依有無加入摻雜劑，半導體可分為：本徵半導體、雜質半導體（n型半導體、p型半導體）。
電導率容易受控制的半導體，可作為資訊處理的元件材料。從科技或是經濟發展的角度來看，半導體非常重要。很多電子產品，如電腦、移動電話、數字錄音機的核心單元都是利用半導體的電導率變化來處理資訊。常見的半導體材料有：第一代（另一種定義/說法：第一「類」）的硅、鍺，第二代（類）的砷化鎵、磷化銦，第三代（類）的氮化鎵、氧化鋅、氮化鋁、碳化硅等；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。
材料的導電性是由導帶中含有的電子數量決定。當電子從價帶獲得能量而跳躍至導電帶時，電子就可以在帶間任意移動而導電。一般常見的金屬材料其導電帶與價電帶之間的能隙非常小，在室溫下電子很容易獲得能量而跳躍至導電帶而導電，而絕緣材料則因為能隙很大（通常大於9電子伏特），電子很難跳躍至導電帶，所以無法導電。
一般半導體材料的能隙約為1至3電子伏特，介於導體和絕緣體之間。因此只要給予適當條件的能量激發，或是改變其能隙之間距，此材料就能導電。
半導體通過電子傳導或電洞傳導的方式傳輸電流。電子傳導的方式與銅線中電流的流動類似，即在電場作用下高度電離的原子將多餘的電子向著負離子化程度比較低的方向傳遞。電洞導電則是指在正離子化的材料中，原子核外由於電子缺失形成的「空穴」，在電場作用下，空穴被少數的電子補入而造成空穴移動所形成的電流（一般稱為正電流）。
材料中載流子（carrier）的數量對半導體的導電特性極為重要。這可以通過在半導體中有選擇的加入其他「雜質」（IIIA、VA族元素）來控制。如果我們在純矽中摻雜（doping）少許的砷或磷（最外層有5個電子），就會多出1個自由電子，這樣就形成n型半導體；如果我們在純矽中摻入少許的硼（最外層有3個電子），就反而少了1個電子，而形成一個電洞（hole），這樣就形成p型半導體（少了1個帶負電荷的原子，可視為多了1個正電荷）。
普通半導體如硅、砷化鎵、碳化硅等材料中的電子和空穴通常可以用非相對論性的拋物線型色散關係來描述其能量-動能關係，而在最近研發的新型半導體中，包括由麻省理工學院的唐爽和崔瑟豪斯夫人提出的準狄拉克材料、半狄拉克材料等（唐-崔瑟豪斯理論），電子和空穴可以具有不同的相對論效應。這些相對論性的新型半導體材料或可引領下一代計算機芯片、能源裝置的研發。

**概括**
上圖為絕緣體，中圖為半導體，下圖為導體。紫色區塊為傳導帶，綠色區塊為價電帶。半導體和絕緣體之間的差異主要來自兩者的能帶間隙（Bandgap）寬度不同。
半導體和絕緣體之間的差異主要來自兩者的能帶寬度不同。絕緣體的能帶比半導體寬，意即絕緣體價帶中的載子必須獲得比在半導體中更高的能量才能跳過能帶，進入導帶中。室溫下的半導體導電性有如絕緣體，只有極少數的載子具有足夠的能量進入導帶。因此，對於一個在相同電場下的本徵半導體和絕緣體會有類似的電特性，不過半導體的能帶寬度小於絕緣體也意味著半導體的導電性更容易受到控制而改變。
純質半導體的電氣特性可以藉由植入雜質的過程而永久改變，這個過程通常稱為摻雜。依照摻雜所使用的雜質不同，摻雜後的半導體原子周圍可能會多出一個電子或一個電洞，而讓半導體材料的導電特性變得與原本不同。如果摻雜進入半導體的雜質濃度夠高，半導體也可能會表現出如同金屬導體般（類金屬）的電性。在摻雜了不同極性雜質的半導體界面處會有一個內建電場（built-in electric field），內建電場和許多半導體元件的操作原理息息相關（例如太陽能電池電子與電洞對的蒐集就是靠內建電場來作用），而摻雜後的半導體有許多電性也會有相對應的變化。
除了藉由摻雜的過程永久改變電性外，半導體亦可因為施加於其上的電場改變而動態地變化。半導體材料也因為這樣的特性，很適合用來作為電路元件，例如電晶體。電晶體屬於主動式的（有源）半導體元件（active semiconductor devices），當主動元件和被動式的（無源）半導體元件（passive semiconductor devices）如電阻器或是電容器組合起來時，可以用來設計各式各樣的集成電路產品，例如微處理器。
當電子從導帶掉回價帶時，減少的能量可能會以光的形式釋放出來。這種過程是製造發光二極體以及半導體雷射的基礎，在商業應用上都有舉足輕重的地位。而相反地，半導體也可以吸收光子，透過光電效應而激發出在價帶的電子，產生電訊號。這即是光探測器的來源，在光纖通訊或是太陽能電池的領域是最重要的元件，也是相機中CMOS Image Sensor主要的運作原理。
半導體有可能是單一元素組成，例如矽。也可以是兩種或是多種元素的化合物，常見的化合物半導體有砷化鎵或是磷化鋁銦鎵（aluminium gallium indium phosphide, AlGaInP）等。合金也是半導體材料的來源之一，如矽鍺或是砷化鎵鋁（aluminium gallium arsenide, AlGaAs）等。

**電導率**
在常溫下，半導體的電導率介於金屬導體（～ S/m）和絕緣體（ （晶體缺陷）通常是影響元件性能的主因。
目前用來成長高純度單晶半導體材料最常見的方法稱為柴可拉斯基製程（鋼鐵場常見工法）。這種製程將一個單晶的晶種（seed）放入溶解的同材質液體中，再以旋轉的方式緩緩向上拉起。在晶種被拉起時，溶質將會沿著固體和液體的介面固化，而旋轉則可讓溶質的溫度均勻。

**全球製造企業**
爾必達於2012年5月宣告破產，2013年7月由美光完成併購。

**十大公司**
截止到2020年6月，根據TTM對全球半導體公司收入的追蹤，整理出全球十大半導體公司（此列表僅限於直接或者通過美國或加拿大公開交易的公司，一般外國的公司會每半年提交報告一詞，因此滯後時間會更長，所有數據截止2020年6月18日，所有數據由YCharts提供 10 Biggest Semiconductor Companiesdate=20200806225737 

**應用**
半導體器件可以通過結構和材料上的設計達到控制電流傳輸的目的，並以此為基礎構建各種處理不同信號的電路。這是半導體在當前電子技術中廣泛應用的原因。

**延伸閱讀**

**材料科學**
 導體- 絕緣體- 半導體材料- PN結

**物理學**
 固體物理學- 物理化學- 熱力學- 電路學- 電子學- 集成電路

**工業**
 半導體器件製造- 半導體封裝

**參考來源**
文獻- id= ISBN 978-0-471-88758-4-  id=ISBN 978-0-471-05661-4
*上冊：
*下冊：-  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

**相關條目**
 電子- 電路

**外部連結**
  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?

**行業網站**
  半導體學院date=20200828004355 - 半導體技術天地-  半導體-  半導體.