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內容簡介

在我們生活的世界中，各種各樣形形色色的事物和現象，其中都必定包含著科學的成分。在這些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你還一知半解的。面對未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待呢？！"形形色色的科學"趣味科普叢書，把我們身邊方方面面的科學知識活靈活現、生動有趣地展示給你，讓你在暢快閱讀中收獲這些鮮活的科學知識！

筆記本電腦中CPU的存儲功能當然不必說了，從先進的智能家電到高性能的汽車，幾乎所有的設備中都必不可少半導體器件和集成電路。正是技術人員們無窮的創意、智慧和辛勤，我們才享受到了如此尖端的科技，就讓我們從這些豐富的彩圖當中來了解一下半導體以及這其中凝結著的人類智慧吧！

本書適合青少年讀者、科學愛好者以及大眾讀者閱讀。

編輯推薦

在我們生活的世界中，各種各樣形形色色的事物和現象，其中都必定包含

著科學的成分。在這些成分中，有些是你所熟知的，有些是你未知的，有些是你

還一知半解的。面對未知的世界，好奇的你是不是有很多疑惑、不解和期待

呢？！"形形色色的科學"趣味科普叢書，把我們身邊方方面面的科學知識活靈

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作者簡介

史蹟

1984年畢業于大連理工大學金屬材料專業，1997年獲東京工業大學金屬工學博士學位，2004年任東京工業大學材料工學副教授，2012年4月升任教授至今?，F從事金屬物理、功能材料、結構分析等材料科學的研究。

譚毅

1993年3月獲東京工業大學金屬工學博士學位，1997年與2001年分別在日本超高溫材料研究所和美國加利福尼亞大學洛杉磯分校任研究員，2009年受聘于大連理工大學，任材料學院教授、能源研究院副院長至今。現從事冶金法提純多晶硅材料、薄膜材料、高溫材料等新能源材料的研究。

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001 介于導體和絕緣體之間的物質――半導體

物質分為易導電和不易導電兩大類。能夠很好導電的物質稱為導體，幾乎不導電的物質稱為絕緣體。導體也稱為導電體或良導體，代表性的導體有金、銀、銅、鋁等金屬。絕緣體有聚乙烯、橡膠、硫、玻璃等。

作為物質的固有性質，導電性用電導率來表示。電導率用符號σ(西格瑪)表示，單位為S/m(西門子/米)。此外，電導率的倒數1/σ稱為電阻率。電阻率用 ρ (肉)表示，單位為Ω?m(歐姆?米)。電阻率 ρ 是用來表示物質導電難易程度的物理量。

在單位橫截面積、單位長度的試樣兩端加上電壓V (伏特)時，若接線柱之間的電流為 I (安培)，有下式成立：V =ρ I ， I =σ V根據電阻率ρ 的大小，大體可按以下方法將導體和絕緣體分類：導體：ρ <10-6Ω?m，絕緣體： ρ >107Ω?m另外，電阻率處于導體和絕緣體之間的物質稱為半導體，即半導體： 10-6Ω?m≤ρ ≤107Ω?m半導體的英文為semiconductor，意思是semi(半)+conductor(導體)。半導體分為元素半導體、化合物半導體、氧化物半導體以及有機半導體等，(002 )以后將分別說明。表1給出了以電阻率分類的各種物質。

● 半導體電阻率的變化范圍是0～1013。

● 半導體有單元素、化合物、氧化物、有機等許多種類。

表 1 根據電阻率的物質分類

根據導電難易程度，處于導體和絕緣體之間的為半導體，電阻率為幾μΩ?m～10MΩ?m的半導體可分為元素半導體、化合物半導體、氧化物半導體、有機半導體4類。

導體中存在許多能夠自由移動的電子，絕緣體中的電子不能自由移動。半導體中同時存在能夠自由移動的電子和不能自由移動的電子。

002 半導體也有很多種①半導體的種類

(001 )中，我們已經對半導體是具有導體和絕緣體之間的電導率(或是電阻率)的物質進行了說明。半導體也是有很多種類的，在這里，我們看一下半導體的種類。

如表1所示，半導體分為無機半導體和有機半導體，無機半導體又分為元素半導體、化合物半導體、氧化物半導體。元素半導體，顧名思義，是由單一元素形成的半導體，包括硅(Si)、鍺(Ge)、碳(C)、碲(Te)等。

化合物半導體是由兩種以上元素組成的化合物形成的半導體。化合物半導體根據構成元素的數量分為二元化合物半導體、三元化合物半導體等。二元化合物半導體，如砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN) 、磷化銦(InP)、碳化硅(SiC)等。三元化合物半導體，如鋁鎵砷(AlGaAs)等。

氧化物半導體是由某種金屬的氧化物構成的半導體，如氧化鋅(ZnO)、銦錫氧化物(ITO)、銦鎵鋅氧化物(IGZO)等。

有機半導體由有機材料構成，如并四苯、蒽等。

半導體也分為不含雜質(導電型雜質)具有半導體性質的本征半導體和摻入一定量雜質具有半導體性質的雜質半導體。

半導體這種物質除了電阻率介于導體和絕緣體之間以外，根據物質特有形態(如純度、存在形狀)和環境(如溫度、壓力、加速度)等的不同，電學性能也有很大變化。后續提到的很多電子裝置正是很好地利用了半導體的這些性質。

● 半導體分為不含雜質的本征半導體和含有雜質的雜質半導體。

● 半導體根據狀態和環境的不同，電學性能也有很大變化。

表 1 半導體的種類半導體分為有機半導體和無機半導體。被廣泛應用的無機半導體分為單元素半導體、化合物半導體、氧化物半導體?；衔锇雽w根據組成元素所處元素周期表中族和種類、數目進行詳細劃分。

與這種分類方法不同的還可以將半導體分為不含導電型雜質的本征半導體和含雜質的雜質半導體003 半導體也有很多種②半導體的驕子――硅(002 )中所述的元素半導體中，目前應用最為廣泛的是硅(Si)。硅元素在地殼表面的相對平均含量(克拉克值)為25.8%，僅次于含量為49.5%的氧，位列第二，是極其常見的元素。表1中按由大到小的順序給出了主要元素的克拉克值。

硅是元素周期表第14號元素，屬于ⅠⅤ族。如圖1所示，硅原子由14個質子和14個中子組成的原子核及環繞原子核周圍的14個電子組成，最外層軌道上有4個電子。硅原子在和其他硅原子或者別的原子結合時，形成4個化學鍵。相鄰的原子之間共同擁有2個電子，這種結合稱為共價鍵。

如圖2所示，硅原子與周圍4個硅原子以共價鍵結合形成規則排列的結構，稱為單晶硅。為了便于理解，圖2顯示的是平面結構，實際上應是立體結構。這個結構基本上與金剛石的晶體結構相同，稱為金剛石結構。

單晶硅的薄圓板稱為硅片，是制作許多半導體裝置的原材料。

因此硅片也稱為硅基板。

關于單晶硅和硅片的制作方法，將在第6章中詳細介紹。表2總結了硅材料的各種性質。硅的各種存在形態將在(004 )中介紹。

● 半導體的代表性物質硅是常見元素。

● 由2個共價電子穩定結合而成的單晶硅。

表 1 克拉克值圖 2 單晶硅的結構模型共價鍵(covalent bond)：兩個硅原子互相拿出最外層的一個電子,原子間通過共有這兩個電子相結合金剛石結構：由兩個一組的電子穩定地結合而成。

單晶硅具有與金剛石相同的晶體結構圖 1 硅的原子結構表 2 硅的各種性質