雷火竞技半导体系列1-什么是半导体

　　导语--自2019年以来，半导体即已成为国人关注的热点，也成为科技自立自强的焦点，在产业界和资本市场上掀起了一轮又一轮的投资狂潮。那么什么是半导体？它的基础是什么？投资半导体的关键又是什么呢？我们将通过一系列的文章进行全面的梳理，本文是系列文章的第一篇，将勾画出什么是半导体的基本框架。

　　小时候，老师告诉我们日常生活中接触到的物体基本分为三类固体、液体、气体。半导体就是固体中的一种，固体根据导电特性可以分为导体、绝缘体、半导体三类。导体如铜、铝等就是常温下能导电的固体，绝缘体如塑料、木头等是常温下不能导电的固体，半导体呢，顾明思义，是“一半的导体”，是常温下导电性能介于于导体与绝缘体之间的材料。半导体一般分为两类，元素半导体和化合物半导体，即在元素周期表的位置是IV族的元素半导体和III/V族、II/VI族的化合物所得。半导体还可以根据组成元素数量不同分为双元素化合物半导体、三元素化合物半导体。

　　接下来我们试着讲解一下什么样的原子结构导致了导体半导体、绝缘体、半导体的不同特性。我们知道原子是由原子核和电子构成的，在形成固体材料前，孤立原子外围电子受原子核势场的影响，在原子能级上规律排布，形成电子轨道。如果我们把原子类比与太阳系的话，电子就如各大行星一般围绕着原子核（太阳）转动。当原子逐渐靠近形成固体时，原子间电子轨道逐渐交叠，单个电子能级将被分裂成多个电子能级形成能带（或称允带）雷火竞技，原子间距离越近，能级分裂越严重。 但这里面有一个特别之处，就是原子核外面的空间电子有些地方不接纳电子运转，有些地方接纳电子运转，这样电子的轨道就不是连续的，而是犹如一个个台阶一样的间断的轨道，如下图所示，允许电子运转的“台阶”即是允带或能带，“台阶”与“台阶”之间的垂直面不允许电子运转，即是禁带（即能带之间的空白带）。

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　　如爬上低层的“台阶”需要的能量更低类似，原子内层电子轨道对应的能带能量更低，电子也比较“懒”，它会首先爬低层的“台阶”，首先填满能量低的能级雷火竞技，被电子填满的能带称为满带（满带最上方的能级称为价带），无电子填充的能带称为空带或导带，满带与导带之间无能级分布区域一样的是禁带。

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　　那么导体、绝缘体、半导体的能带结构到底有什么不同才造成三者不同的导电特性呢？下图为热力学温度为零时三种材料能带示意图。绝缘体与半导体形成的能带结构相似，下面是被电子占满的价带，上方是未被电子占据的导带。当外界温度升高或有光照射时，价带顶的少量电子将会吸收能量越过禁带被激发到无电子占据的空带，这就像从挤满人的低层“台阶”跳到高层的没有人的“台阶”一样，高层“台阶”导带底部将会有少量电子存在，低层“台阶”价带顶同时也留下了电子空位（形象地称之为空穴）。低层台阶就没那么拥挤了，高层台阶也不那么空旷了，此时在外加电场下，导带中的电子和价带中的空穴将同时参与导电。半导体和绝缘体的主要区别是禁带宽度，绝缘体的禁带宽度较大，在一般条件下，能够被激发到导带的电子很少，导电性很差。而金属能带中价电子占据部分能级，为半满带（或者理解为满带与导带有重叠）半导体，即天生就有不那么拥挤的“台阶”，犹如导电界的天选之子，因此金属具有较好的导电性能。

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　　现在我们已经明白了半导体特性的基本原理了，下一篇我们将讲一下半导体器件、芯片这个复杂大厦的基础是什么，敬请期待。