「半导体」是一种什么样的物质？有什么样的特点？

半导体，这玩意儿，你听着可能觉得挺高深，但其实它就在你我身边，是现代科技的基石。简单说，它就是一种介于导体和绝缘体之间的物质，它的导电能力，就像一个能屈能伸的好手，可以被人为地控制。

它到底是什么样的物质？

绝大多数我们接触到的半导体，都是元素半导体和化合物半导体。

元素半导体： 最典型的代表就是硅（Si）和锗（Ge）。你家里用的电脑、手机，里面最核心的芯片，绝大部分都是用硅做的。它们在元素周期表里属于第四族，最外层有四个电子，这四个电子很“老实”，喜欢跟周围的原子“分享”，形成稳定的共价键。在纯净状态下，这些共价键很牢固，电子不容易跑出来导电，所以它更像个绝缘体。

化合物半导体： 这就更有意思了，是两种或两种以上元素结合成的化合物。比如我们常听到的砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等等。这些化合物通常是第一族和第十五族（如GaAs）或者第十三族和第十五族（如GaN）的元素结合而成。它们拥有比硅更优异的性能，比如更快的电子迁移速度（这意味着可以做得更快）、更好的耐高温性、或者能发出特定颜色的光（比如LED）。

它的特别之处在哪儿？

半导体之所以能成为科技的宠儿，关键在于它的几个“独门绝技”：

1. 导电能力可控： 这是半导体最最核心的特点，也是它区别于导体和绝缘体的根本。纯净的半导体导电能力很差，但只要我们“动点手脚”，给它掺杂一些其他元素的“杂质”，它的导电能力就能大大增强，而且增强的方式还可以选择。
N型半导体： 往纯净半导体里掺杂第五族元素（比如磷P、砷As），这些杂质原子有五个价电子，比半导体原子（四个价电子）多一个，多出来的这个电子就像个“散兵游勇”，很容易被电场拉动，成为自由的载体，所以这种半导体就叫N型（Negative，负电）。
P型半导体： 往纯净半导体里掺杂第三族元素（比如硼B、镓Ga），这些杂质原子有三个价电子，比半导体原子少一个，这就形成了一个“空位”，称为“空穴”。电子很容易从旁边跳到这个空位，造成空穴“移动”导电，所以这种半导体叫P型（Positive，正电）。
PN结： 当我们将N型半导体和P型半导体紧密地“粘合”在一起，就会形成一个PN结。这个PN结厉害了，它就像一个单向阀门，电流只能从P区流向N区（正向偏置），却很难从N区流向P区（反向偏置）。这就为我们制造各种电子器件打下了基础。

2. 光电效应： 很多半导体还能跟光“玩游戏”。
光电导效应： 当光照射在半导体上时，可以激发更多的电子空穴对产生，从而增加其导电性。我们用到的光敏电阻就是利用这个原理。
光伏效应： 某些半导体材料在光照下，就能直接将光能转化为电能，这就是太阳能电池的原理。
电致发光效应： 反过来，当电流通过某些半导体时，它还能发出光，这就是LED（发光二极管）的核心技术。

3. 热电效应： 一些半导体材料，在温度变化时也能产生电压，或者通电时能产生温差，这可以用于制冷或发电。

4. 尺寸微缩潜力： 随着科技的进步，我们能把半导体材料做得越来越小，集成度也越来越高。现在芯片上的晶体管数量动辄百亿，甚至上千亿，这都是半导体材料本身的特性和我们精湛的制造工艺结合的成果。

为啥它这么重要？

正是因为这些独特性，半导体成为了现代电子信息产业的“心脏”。从你手中的智能手机、电脑，到家里的电视、冰箱，再到汽车、飞机、医疗设备，甚至是太空探索，都离不开这些小小的半导体芯片。它们是信息处理、存储、传输、控制的关键。

可以说，没有半导体，就没有我们现在这个高度发达的数字时代。它就像是现代工业的“万能胶”，让各种电子设备能够智能化、微型化、高效化。

网友意见

我们都听说过导体和绝缘体，知道导体很容易导电，而绝缘体不容易导电。所以就有一种说法是，半导体就是介于导体和绝缘体之间，既像导体那样可以导电，也有些像绝缘体那样不太好导电。但是实际上，这样的想法有些过于简单（By Prof. Chris Mack from UT Austin，详见本文最后的视频）。

半导体的定义，绝不是简单地因为它的导电性介于导体和绝缘体之间。比如石墨烯，其导电率与金属相当，甚至比金属的电阻率还要更小，但是仍然被认为是一种零能隙的半导体。这又是为何呢？原来，对于半导体来说更重要的是：其导电率极其容易在极大的范围内进行调整，通过但不限于以下的方法：

温度、光照、掺杂、电场……

导体和半导体导电率随温度的变化方式，是完全相反的。

对于正常的导体来说，当温度升高时，电阻率是应该升高的，这是因为给更多的晶格振动给电子的定向移动带来了更多的阻力；而对于半导体来说，当温度升高时，会有更多的电子从价带被激发到导带，从而使得更容易导电，电阻率下降。比如我们可以看到，金属的电阻温度系数都是正值，常见的半导体Si和Ge都是负数。而石墨烯也是负数，所以也更接近于半导体。

此外，半导体的电阻率还会与光照、掺杂以及电场有关，很容易进行全局或者局部的调控，而且调整的程度可达6个数量级之多！这也是为何半导体被广泛用于器件制造，这也是为何半导体被广泛用于集成电路，这也是为何半导体对于芯片来说如此重要。更多的关于半导体的知识，欢迎阅读这本《半导体物理与器件》，哪怕你在海外也可以在京东上购买：虽然运费有点贵，不过还是比在海外买书要便宜多了。不过最好自己不时查阅状态，以免京东客服将你的地址上传错误（我就发生了，书的状态显示地址错误无法送达，最后我自己在UPS网站上修改的）。我正在学习该书中。

此外，某网站上的CHE323课程也是挺不错的，比如第一讲就提及了本回答中介绍的常见概念错误。视频搬运如下，还有配有英文字幕 (by 本人)。

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