一、半導體的起源

        1946年1月，彼時新中國尚未成立，國共還處在內(nèi)戰(zhàn)的關鍵時刻，遠在太平洋彼岸的美國BELL實驗室正式成立了一個半導體研究小組，小組內(nèi)有3名核心成員，分別是Schokley、Bardeen和Brattain，俗稱“晶體管三劍客”。

        三劍客有自己的研究優(yōu)勢，Bardeen提出了表面態(tài)理論，Schokley給出了實現(xiàn)放大器的基本設想，Brattain設計了實驗。

        在三劍客成立的次年，1947年巴丁(Bardeen)和布萊登(Brattain)發(fā)明了點接觸(point?contact)晶體管。接著在1949年肖克萊(Shockley)發(fā)表了關于p?n結和雙極型晶體管的經(jīng)典論文。有史以來的個晶體管中，在三角形石英晶體底部的兩個點接觸是由相隔50μm的金箔線壓到半導體表面做成的，所用的半導體材料為鍺；當一個接觸正偏(forward biased，即對于第三個端點加正電壓)，而另一個接觸反偏(reverse biased)時，可以觀察到把輸入信號放大的晶體管行為(transistor action)。

        雙極型晶體管是一個關鍵的半導體器件，它把人類文明帶進了現(xiàn)代電子時代，轟動世界的半導體革命開始了…

        此時出現(xiàn)了一個新名稱——晶體管。

        我們還常聽說一個詞——集成電路【Integrated Circuit：IC】，晶體管和集成電路是什么關系呢？

        集成電路是通過一系列特定的平面制造工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路互連關系，“集成”在一塊半導體單晶片上，并封裝在一個保護外殼內(nèi)，能執(zhí)行特定的功能復雜電子系統(tǒng)。

        晶體管是集成電路的組成單元，它的發(fā)明加速了半導體行業(yè)的發(fā)展。

二、什么是半導體？

        半導體的概念是從材料的導電性來描述的，自然界中一切物體，按導電性分為三類：導體、半導體、絕緣體。

        生活中我們接觸到的物體，要么導電、要么不導電、要么在特定條件下導電。

        從電阻的角度來看，就是下面這張圖：

        絕緣體: 電導率很低，約介于20E-18S/cm-E-8S/cm，如熔融石英及玻璃；

        導 體：電導率較高，介于10E4S/cm-10E6S/cm，如鋁、銀等金屬；

        半導體：電導率則介于絕緣體及導體之間。

        為什么這種導電率不穩(wěn)定的物質(zhì)卻受到了廣泛的關注和應用呢？因為半導體易受溫度、光照、磁場及微量雜質(zhì)原子的影響。半導體材料在外界的刺激下，材料性能發(fā)生改變，正是半導體的這種對電導率的高靈敏度特性使半導體成為各種電子應用中最重要的材料之一。

三、半導體的分類

半導體按照材料的類型可分為：

(1) 元素半導體：硅(Si)、鍺(Ge)

        硅、鍺都是由單一原子所組成的元素半導體，均為周期表第IV族元素。20世紀50年代初期，鍺曾是最主要的半導體材料；60年代初期以后，硅已取代鍺成為半導體制造的主要材料，主要原因為硅器件在室溫下有較佳的特性，高品質(zhì)的硅氧化層可由熱生長的方式產(chǎn)生，成本低；硅含量占地表的25%，僅次于氧，儲量豐富。

(2) 化合物半導體：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等。

        化合物半導體可以根據(jù)組成元素的多少進一步細分為：

        (a) 二元化合物半導體：

        由兩種元素組成，比如常見的：

        IV－IV族元素化合物半導體：碳化硅(SiC)；

        III－V族元素化合物半導體：砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)等；

        II－VI族元素化合物半導體：氧化鋅(ZnO)、硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)等；

        IV－VI族元素化合物半導體：硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、碲化鉛(PbTe)；

        (b) 三元化合物半導體，由三種元素組成，比如：

        由III族元素鋁(Al)、鎵(Ga)及V族元素砷(As)所組成的合金半導體AlxGa(1-x)As即是一種三元化合物半導體。

        (c) 多元化合物半導體：由三種及以上元素組成。

        具有AxB(1-x)CyD(1-y)形式的四元化合物半導體可由許多二元及三元化合物半導體組成。例如，四元化合物GaxIn(1-x)AsyP(1-y)合金半導體是由磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)及砷化鎵(GaAs)所組成。

        半導體分類見下圖：

四、為什么硅可作為半導體材料？

        硅在元素周期表中排列第14位，最外層有4個電子，下圖是硅晶體結構圖以及電子排布情況。每個硅原子在外圍軌道有四個電子，分別與周圍4個原子共用4對電子。這種共用電子對的結構稱為共價鍵(covalent bonding)。每個電子對組成一個共價鍵。

        低溫時，電子分別被束縛在四面體晶格中，因此無法作電的傳導。但在高溫時，熱振動可以打斷共價鍵。當一些鍵被打斷時，所產(chǎn)生的自由電子可以參與電的傳導。而一個自由電子產(chǎn)生時，會在原處產(chǎn)生一個空缺。此空缺可由鄰近的一個電子填滿，從而產(chǎn)生空缺位置的移動，并可被看作與電子運動方向相反的正電荷，稱為空穴(hole)。半導體中可移動的電子與空穴統(tǒng)稱為載流子。

        下圖中是空穴移動的過程：

        我們知道半導體晶圓是硅元素組成的，硅原子按照晶體生產(chǎn)的方式長呈有序排列，從平面的角度來看硅原子的排列是這樣的：

        從立體的角度看硅原子的排列是這樣的：

        這種原子按照周期性排列的方式稱為晶體結構。