半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。

半導(dǎo)體在集成電路、消費(fèi)電子、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、照明、大功率電源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域都有應(yīng)用，如二極管就是采用半導(dǎo)體制作的器件。

無論從科技或是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來看，半導(dǎo)體的重要性都是非常巨大的。大部分的電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話或是數(shù)字錄音機(jī)當(dāng)中的核心單元都和半導(dǎo)體有著極為密切的關(guān)聯(lián)。

常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，硅是各種半導(dǎo)體材料應(yīng)用中最具有影響力的一種。

物理定義

物質(zhì)存在的形式多種多樣，固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導(dǎo)電性差的材料，如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體。而把導(dǎo)電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導(dǎo)體。可以簡(jiǎn)單的把介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。與導(dǎo)體和絕緣體相比，半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀(jì)30年代，當(dāng)材料的提純技術(shù)改進(jìn)以后，半導(dǎo)體的存在才真正被學(xué)術(shù)界認(rèn)可。

半導(dǎo)體是指在常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體是指一種導(dǎo)電性可控，范圍從絕緣體到導(dǎo)體之間的材料。從科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來看，半導(dǎo)體影響著人們的日常工作生活，直到20世紀(jì)30年代這一材料才被學(xué)界所認(rèn)可。

發(fā)現(xiàn)歷史

半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上可以追溯到很久以前。

1833年，英國(guó)科學(xué)家電子學(xué)之父法拉第最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但法拉第發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。

不久，1839年法國(guó)的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特性。

1873年，英國(guó)的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體的第三種特性。

在1874年，德國(guó)的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過來，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第四種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。

半導(dǎo)體的這四個(gè)特性，雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。

2019年10月，一國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)稱與傳統(tǒng)霍爾測(cè)量中僅獲得3個(gè)參數(shù)相比，新技術(shù)在每個(gè)測(cè)試光強(qiáng)度下最多可獲得7個(gè)參數(shù)：包括電子和空穴的遷移率；在光下的載荷子密度、重組壽命、電子、空穴和雙極性類型的擴(kuò)散長(zhǎng)度。

分類及性能

（1）元素半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體是指單一元素構(gòu)成的半導(dǎo)體，其中對(duì)硅、硒的研究比較早。它是由相同元素組成的具有半導(dǎo)體特性的固體材料，容易受到微量雜質(zhì)和外界條件的影響而發(fā)生變化。目前，只有硅、鍺性能好，運(yùn)用的比較廣，硒在電子照明和光電領(lǐng)域中應(yīng)用。硅在半導(dǎo)體工業(yè)中運(yùn)用的多，這主要受到二氧化硅的影響，能夠在器件制作上形成掩膜，能夠提高半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性，利于自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)。

（2）無機(jī)合成物半導(dǎo)體。無機(jī)合成物主要是通過單一元素構(gòu)成半導(dǎo)體材料，當(dāng)然也有多種元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，主要的半導(dǎo)體性質(zhì)有I族與V、VI、VII族；II族與IV、V、VI、VII族；III族與V、VI族；IV族與IV、VI族;V族與VI族；VI族與VI族的結(jié)合化合物，但受到元素的特性和制作方式的影響，不是所有的化合物都能夠符合半導(dǎo)體材料的要求。這一半導(dǎo)體主要運(yùn)用到高速器件中，InP制造的晶體管的速度比其他材料都高，主要運(yùn)用到光電集成電路、抗核輻射器件中。對(duì)于導(dǎo)電率高的材料，主要用于LED等方面。

（3）有機(jī)合成物半導(dǎo)體。有機(jī)化合物是指含分子中含有碳鍵的化合物，把有機(jī)化合物和碳鍵垂直，疊加的方式能夠形成導(dǎo)帶，通過化學(xué)的添加，能夠讓其進(jìn)入到能帶，這樣可以發(fā)生電導(dǎo)率，從而形成有機(jī)化合物半導(dǎo)體。這一半導(dǎo)體和以往的半導(dǎo)體相比，具有成本低、溶解性好、材料輕加工容易的特點(diǎn)?？梢酝ㄟ^控制分子的方式來控制導(dǎo)電性能，應(yīng)用的范圍比較廣，主要用于有機(jī)薄膜、有機(jī)照明等方面。

（4）非晶態(tài)半導(dǎo)體。它又被叫做無定形半導(dǎo)體或玻璃半導(dǎo)體，屬于半導(dǎo)電性的一類材料。非晶半導(dǎo)體和其他非晶材料一樣，都是短程有序、長(zhǎng)程無序結(jié)構(gòu)。它主要是通過改變?cè)酉鄬?duì)位置，改變?cè)械闹芷谛耘帕校纬煞蔷Ч?。晶態(tài)和非晶態(tài)主要區(qū)別于原子排列是否具有長(zhǎng)程序。非晶態(tài)半導(dǎo)體的性能控制難，隨著技術(shù)的發(fā)明，非晶態(tài)半導(dǎo)體開始使用。這一制作工序簡(jiǎn)單，主要用于工程類，在光吸收方面有很好的效果，主要運(yùn)用到太陽(yáng)能電池和液晶顯示屏中。

（5）本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在極低溫度下，半導(dǎo)體的價(jià)帶是滿帶，受到熱激發(fā)后，價(jià)帶中的部分電子會(huì)越過禁帶進(jìn)入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶，價(jià)帶中缺少一個(gè)電子后形成一個(gè)帶正電的空位，稱為空穴。空穴導(dǎo)電并不是實(shí)際運(yùn)動(dòng)，而是一種等效。電子導(dǎo)電時(shí)等電量的空穴會(huì)沿其反方向運(yùn)動(dòng)。它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而形成宏觀電流，分別稱為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電。這種由于電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生而形成的混合型導(dǎo)電稱為本征導(dǎo)電。導(dǎo)帶中的電子會(huì)落入空穴，電子-空穴對(duì)消失，稱為復(fù)合。復(fù)合時(shí)釋放出的能量變成電磁輻射（發(fā)光）或晶格的熱振動(dòng)能量（發(fā)熱）。在一定溫度下，電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合同時(shí)存在并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)半導(dǎo)體具有一定的載流子密度，從而具有一定的電阻率。溫度升高時(shí)，將產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)，載流子密度增加，電阻率減小。無晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體的電阻率較大，實(shí)際應(yīng)用不多。

應(yīng)用領(lǐng)域

半導(dǎo)體在集成電路、消費(fèi)電子、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、照明應(yīng)用、大功率電源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域應(yīng)用。

光伏應(yīng)用

半導(dǎo)體材料光生伏特效應(yīng)是太陽(yáng)能電池運(yùn)行的基本原理?，F(xiàn)階段半導(dǎo)體材料的光伏應(yīng)用已經(jīng)成為一大熱門，是目前世界上增長(zhǎng)最快、發(fā)展最好的清潔能源市場(chǎng)。太陽(yáng)能電池的主要制作材料是半導(dǎo)體材料，判斷太陽(yáng)能電池的優(yōu)劣主要的標(biāo)準(zhǔn)是光電轉(zhuǎn)化率，光電轉(zhuǎn)化率越高，說明太陽(yáng)能電池的工作效率越高。根據(jù)應(yīng)用的半導(dǎo)體材料的不同，太陽(yáng)能電池分為晶體硅太陽(yáng)能電池、薄膜電池以及III-V族化合物電池。

照明應(yīng)用

LED是建立在半導(dǎo)體晶體管上的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，采用LED技術(shù)半導(dǎo)體光源體積小，可以實(shí)現(xiàn)平面封裝，工作時(shí)發(fā)熱量低、節(jié)能高效，產(chǎn)品壽命長(zhǎng)、反應(yīng)速度快，而且綠色環(huán)保無污染，還能開發(fā)成輕薄短小的產(chǎn)品，一經(jīng)問世，就迅速普及，成為新一代的優(yōu)質(zhì)照明光源，目前已經(jīng)廣泛的運(yùn)用在我們的生活中。如交通指示燈、電子產(chǎn)品的背光源、城市夜景美化光源、室內(nèi)照明等各個(gè)領(lǐng)域，都有應(yīng)用。

大功率電源轉(zhuǎn)換

交流電和直流電的相互轉(zhuǎn)換對(duì)于電器的使用十分重要，是對(duì)電器的必要保護(hù)。這就要用到等電源轉(zhuǎn)換裝置。碳化硅擊穿電壓強(qiáng)度高，禁帶寬度寬，熱導(dǎo)性高，因此SiC半導(dǎo)體器件十分適合應(yīng)用在功率密度和開關(guān)頻率高的場(chǎng)合，電源裝換裝置就是其中之一。碳化硅元件在高溫、高壓、高頻的又一表現(xiàn)使得現(xiàn)在被廣泛使用到深井鉆探，發(fā)電裝置中的逆變器，電氣混動(dòng)汽車的能量轉(zhuǎn)化器，輕軌列車牽引動(dòng)力轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。由于SiC本身的優(yōu)勢(shì)以及現(xiàn)階段行業(yè)對(duì)于輕量化、高轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體材料需要，SiC將會(huì)取代Si，成為應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料。

半導(dǎo)體制冷技術(shù)

半導(dǎo)體制冷技術(shù)是目前的制冷技術(shù)中應(yīng)用比較廣泛的。農(nóng)作物在溫室大棚中生長(zhǎng)中，半導(dǎo)體制冷技術(shù)可以對(duì)環(huán)境溫度有效控制，特別是一些對(duì)環(huán)境具有很高要求的植物，采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)塑造生長(zhǎng)環(huán)境，可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有可逆性，可以用于制冷，也可以用于制熱，對(duì)環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)具有良好的效果。

運(yùn)行原理

半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用原理是建立在帕爾帖原理的基礎(chǔ)上的。1834年，法國(guó)科學(xué)家帕爾帖發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體制冷作用。帕爾貼原理又被稱為是”帕爾貼效益“，就是將兩種不同的導(dǎo)體充分運(yùn)用起來，使用A和B組成的電路，通入直流電，在電路的接頭處可以產(chǎn)生焦耳熱，同時(shí)還會(huì)釋放出一些其它的熱量，此時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，另一個(gè)接頭處不是在釋放熱量，而是在吸收熱量。這種現(xiàn)象是可逆的，只要對(duì)電流的方向進(jìn)行改變，放熱和吸熱的運(yùn)行就可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，電流的強(qiáng)度與吸收的熱量和放出的熱量之間存在正比例關(guān)系，與半導(dǎo)體自身所具備的性質(zhì)也存在關(guān)系。由于金屬材料的帕爾帖效應(yīng)是相對(duì)較弱的，而半導(dǎo)體材料基于帕爾帖原理運(yùn)行，所產(chǎn)生的效應(yīng)也會(huì)更強(qiáng)一些，所以，在制冷的材料中，半導(dǎo)體就成為了主要的原料。但是，對(duì)于這種材料的使用中，需要注意多數(shù)的半導(dǎo)體材料的無量綱值接近1，比固體理論模型要低一些，在實(shí)際數(shù)據(jù)的計(jì)算上所獲得的結(jié)果是4，所以，對(duì)于半導(dǎo)體材料的應(yīng)用中，要使得半導(dǎo)體制冷技術(shù)合理運(yùn)用，就要深入研究。

應(yīng)用策略

半導(dǎo)體制冷技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥領(lǐng)域中，工業(yè)領(lǐng)域中，即便是日常生活中也得以應(yīng)用，所以，該技術(shù)是有非常重要的發(fā)展前景的。

例如，將導(dǎo)體制冷技術(shù)用于現(xiàn)代的各種制冷設(shè)備中，諸如冰箱、空調(diào)等等，都可以配置電子冷卻器。半導(dǎo)體冰箱就是使用了半導(dǎo)體制冷技術(shù)。在具體的應(yīng)用中，可以根據(jù)不同客戶的需要使用，以更好地滿足客戶的要求。

不同數(shù)量的半導(dǎo)體制冷芯片，在連接的過程中可以根據(jù)需要采用并聯(lián)的方式或串聯(lián)的方式，放置在合適的位置就可以發(fā)揮作用。二十世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)開發(fā)了一種小型模型冰箱，只有10升的容量，冰箱的體積非常小，使用便利。日本研制出一種冰箱，是專門用于儲(chǔ)存紅酒的。對(duì)于溫度要嚴(yán)格控制，應(yīng)用半導(dǎo)體制冷技術(shù)就可以滿足冰箱的制冷要求。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們?cè)谧非笊钯|(zhì)量的同時(shí)，對(duì)于制冷設(shè)備的要求也越來越高。當(dāng)人們使用半導(dǎo)體冰箱的時(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這種冰箱比傳統(tǒng)冰箱的耗電量更低一些，甚至可以達(dá)到20%，節(jié)能效果良好。

使用半導(dǎo)體空調(diào)，與日常生活中使用的空調(diào)不同，而是應(yīng)用于特殊場(chǎng)所中，諸如機(jī)艙、潛艇等等。采用相對(duì)穩(wěn)定的制冷技術(shù)，不僅可以保證快速制冷，而且可能夠滿足半導(dǎo)體制冷技術(shù)的各項(xiàng)要求。一些美國(guó)公司發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷技術(shù)還有一個(gè)重要的功能，就是在有源電池中合理應(yīng)用，就可以確保電源持續(xù)供應(yīng)，可以超過8小時(shí)。在汽車制冷設(shè)備中，半導(dǎo)體制冷技術(shù)也得到應(yīng)用。包括農(nóng)業(yè)、天文學(xué)以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，半導(dǎo)體制冷技術(shù)也發(fā)揮著重要的作用。

難點(diǎn)以及所存在的問題

（一）半導(dǎo)體制冷技術(shù)的難點(diǎn)

半導(dǎo)體制冷的過程中會(huì)涉及到很多的參數(shù)，而且條件是復(fù)雜多變的。任何一個(gè)參數(shù)對(duì)冷卻效果都會(huì)產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)室研究中，由于難以滿足規(guī)定的噪聲，就需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行研究，但是一些影響因素的探討是存在難度的。半導(dǎo)體制冷技術(shù)是基于粒子效應(yīng)的制冷技術(shù)，具有可逆性。所以，在制冷技術(shù)的應(yīng)用過程中，冷熱端就會(huì)產(chǎn)生很大的溫差，對(duì)制冷效果必然會(huì)產(chǎn)生影響。

（二）半導(dǎo)體制冷技術(shù)所存在的問題

其一，半導(dǎo)體材料的優(yōu)質(zhì)系數(shù)不能夠根據(jù)需要得到進(jìn)一步的提升，這就必然會(huì)對(duì)半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用造成影響。其二，對(duì)冷端散熱系統(tǒng)和熱端散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是在技術(shù)上沒有升級(jí)，依然處于理論階段，沒有在應(yīng)用中更好地發(fā)揮作用，這就導(dǎo)致半導(dǎo)體制冷技術(shù)不能夠根據(jù)應(yīng)用需要予以提升。其三，半導(dǎo)體制冷技術(shù)對(duì)于其他領(lǐng)域以及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用存在局限性，所以，半導(dǎo)體制冷技術(shù)使用很少，對(duì)于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的研究沒有從應(yīng)用的角度出發(fā)，就難以在技術(shù)上擴(kuò)展。其四，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境中，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體制冷技術(shù)要獲得發(fā)展，需要考慮多方面的問題。重視半導(dǎo)體制冷技術(shù)的應(yīng)用，還要考慮各種影響因素，使得該技術(shù)更好地發(fā)揮作用。

未來發(fā)展

以GaN（氮化鎵）為代表的第三代半導(dǎo)體材料及器件的開發(fā)是新興半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的核心和基礎(chǔ)，其研究開發(fā)呈現(xiàn)出日新月異的發(fā)展勢(shì)態(tài)。GaN基光電器件中，藍(lán)色發(fā)光二極管LED率先實(shí)現(xiàn)商品化生產(chǎn)成功開發(fā)藍(lán)光LED和LD之后，科研方向轉(zhuǎn)移到GaN紫外光探測(cè)器上GaN材料在微波功率方面也有相當(dāng)大的應(yīng)用市場(chǎng)。氮化鎵半導(dǎo)體開關(guān)被譽(yù)為半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)上一個(gè)新的里程碑。美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出一種可用于制造新型電子開關(guān)的重要器件，這種電子開關(guān)可以提供平穩(wěn)、無間斷電源。

新型半導(dǎo)體材料在工業(yè)方面的應(yīng)用越來越多。新型半導(dǎo)體材料表現(xiàn)為其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，擁有卓越的電學(xué)特性，而且成本低廉，可被用于制造現(xiàn)代電子設(shè)備中廣泛使用，我國(guó)與其他國(guó)家相比在這方面還有著很大一部分的差距，通常會(huì)表現(xiàn)在對(duì)一些基本儀器的制作和加工上，近幾年來，國(guó)家很多的部門已經(jīng)針對(duì)我國(guó)相對(duì)于其他國(guó)家存在的弱勢(shì)，這一方面統(tǒng)一的組織了各個(gè)方面的群體，對(duì)其進(jìn)行有效的領(lǐng)導(dǎo)，然后共同努力去研制更加高水平的半導(dǎo)體材料。這樣才能夠在很大程度上適應(yīng)我國(guó)工業(yè)化的進(jìn)步和發(fā)展，為我國(guó)社會(huì)進(jìn)步提供更強(qiáng)大的動(dòng)力。首先需要進(jìn)一步對(duì)超晶格量子阱材料進(jìn)行研發(fā)，目前我國(guó)半導(dǎo)體材料在這方面的發(fā)展背景來看，應(yīng)該在很大程度上去提高超高亮度，紅綠藍(lán)光材料以及光通信材料，在未來的發(fā)展的主要研究方向上，同時(shí)要根據(jù)市場(chǎng)上，更新一代的電子器件以及電路等要求進(jìn)行強(qiáng)化，將這些光電子結(jié)構(gòu)的材料，在未來生產(chǎn)過程中的需求進(jìn)行仔細(xì)的分析和探討，然后去滿足未來世界半導(dǎo)體發(fā)展的方向，我們需要選擇更加優(yōu)化的布點(diǎn)，然后做好相關(guān)的開發(fā)和研究工作，這樣將各種研發(fā)機(jī)構(gòu)與企業(yè)之間建立更好的溝通機(jī)制就可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)高溫半導(dǎo)體材料，更深一步的開發(fā)和利用。