半導體指常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料。

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

無論從科技或是經濟發(fā)展的角度來看，半導體的重要性都是非常巨大的。大部分的電子產品，如計算機、移動電話或是數(shù)字錄音機當中的核心單元都和半導體有著極為密切的關聯(lián)。

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

物理定義

物質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。而把導電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體?？梢院唵蔚陌呀橛趯w和絕緣體之間的材料稱為半導體。與導體和絕緣體相比，半導體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀30年代，當材料的提純技術改進以后，半導體的存在才真正被學術界認可。

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

發(fā)現(xiàn)歷史

半導體的發(fā)現(xiàn)實際上可以追溯到很久以前。

1833年，英國科學家電子學之父法拉第最先發(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。這是半導體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。

不久，1839年法國的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導體和電解質接觸形成的結，在光照下會產生一個電壓，這就是后來人們熟知的光生伏特效應，這是被發(fā)現(xiàn)的半導體的第二個特性。

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

在1874年，德國的布勞恩觀察到某些硫化物的電導與所加電場的方向有關，即它的導電有方向性，在它兩端加一個正向電壓，它是導通的；如果把電壓極性反過來，它就不導電，這就是半導體的整流效應，也是半導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。

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

2019年10月，一國際科研團隊稱與傳統(tǒng)霍爾測量中僅獲得3個參數(shù)相比，新技術在每個測試光強度下最多可獲得7個參數(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散長度。

分類及性能

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

（2）無機合成物半導體。無機合成物主要是通過單一元素構成半導體材料，當然也有多種元素構成的半導體材料，主要的半導體性質有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體材料的要求。這一半導體主要運用到高速器件中，InP制造的晶體管的速度比其他材料都高，主要運用到光電集成電路、抗核輻射器件中。對于導電率高的材料，主要用于LED等方面。

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

（4）非晶態(tài)半導體。它又被叫做無定形半導體或玻璃半導體，屬于半導電性的一類材料。非晶半導體和其他非晶材料一樣，都是短程有序、長程無序結構。它主要是通過改變原子相對位置，改變原有的周期性排列，形成非晶硅。晶態(tài)和非晶態(tài)主要區(qū)別于原子排列是否具有長程序。非晶態(tài)半導體的性能控制難，隨著技術的發(fā)明，非晶態(tài)半導體開始使用。這一制作工序簡單，主要用于工程類，在光吸收方面有很好的效果，主要運用到太陽能電池和液晶顯示屏中。

（5）本征半導體：不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本征半導體。在極低溫度下，半導體的價帶是滿帶，受到熱激發(fā)后，價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導帶，價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位，稱為空穴?？昭▽щ姴⒉皇菍嶋H運動，而是一種等效。電子導電時等電量的空穴會沿其反方向運動。它們在外電場作用下產生定向運動而形成宏觀電流，分別稱為電子導電和空穴導電。這種由于電子-空穴對的產生而形成的混合型導電稱為本征導電。導帶中的電子會落入空穴，電子-空穴對消失，稱為復合。復合時釋放出的能量變成電磁輻射（發(fā)光）或晶格的熱振動能量（發(fā)熱）。在一定溫度下，電子-空穴對的產生和復合同時存在并達到動態(tài)平衡，此時半導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，將產生更多的電子-空穴對，載流子密度增加，電阻率減小。無晶格缺陷的純凈半導體的電阻率較大，實際應用不多。

應用領域

半導體在集成電路、消費電子、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、照明應用、大功率電源轉換等領域應用。

光伏應用

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

照明應用

LED是建立在半導體晶體管上的半導體發(fā)光二極管，采用LED技術半導體光源體積小，可以實現(xiàn)平面封裝，工作時發(fā)熱量低、節(jié)能高效，產品壽命長、反應速度快，而且綠色環(huán)保無污染，還能開發(fā)成輕薄短小的產品，一經問世，就迅速普及，成為新一代的優(yōu)質照明光源，目前已經廣泛的運用在我們的生活中。如交通指示燈、電子產品的背光源、城市夜景美化光源、室內照明等各個領域，都有應用。

大功率電源轉換

交流電和直流電的相互轉換對于電器的使用十分重要，是對電器的必要保護。這就要用到等電源轉換裝置。碳化硅擊穿電壓強度高，禁帶寬度寬，熱導性高，因此SiC半導體器件十分適合應用在功率密度和開關頻率高的場合，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，電氣混動汽車的能量轉化器，輕軌列車牽引動力轉換等領域。由于SiC本身的優(yōu)勢以及現(xiàn)階段行業(yè)對于輕量化、高轉換效率的半導體材料需要，SiC將會取代Si，成為應用最廣泛的半導體材料。

半導體制冷技術

半導體制冷技術是目前的制冷技術中應用比較廣泛的。農作物在溫室大棚中生長中，半導體制冷技術可以對環(huán)境溫度有效控制，特別是一些對環(huán)境具有很高要求的植物，采用半導體制冷技術塑造生長環(huán)境，可以促進植物的生長。半導體制冷技術具有可逆性，可以用于制冷，也可以用于制熱，對環(huán)境溫度的調節(jié)具有良好的效果。

運行原理

半導體制冷技術的應用原理是建立在帕爾帖原理的基礎上的。1834年，法國科學家帕爾帖發(fā)現(xiàn)了半導體制冷作用。帕爾貼原理又被稱為是”帕爾貼效益“，就是將兩種不同的導體充分運用起來，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生焦耳熱，同時還會釋放出一些其它的熱量，此時就會發(fā)現(xiàn)，另一個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，只要對電流的方向進行改變，放熱和吸熱的運行就可以進行調節(jié)，電流的強度與吸收的熱量和放出的熱量之間存在正比例關系，與半導體自身所具備的性質也存在關系。由于金屬材料的帕爾帖效應是相對較弱的，而半導體材料基于帕爾帖原理運行，所產生的效應也會更強一些，所以，在制冷的材料中，半導體就成為了主要的原料。但是，對于這種材料的使用中，需要注意多數(shù)的半導體材料的無量綱值接近1，比固體理論模型要低一些，在實際數(shù)據(jù)的計算上所獲得的結果是4，所以，對于半導體材料的應用中，要使得半導體制冷技術合理運用，就要深入研究。

應用策略

半導體制冷技術已經廣泛應用在醫(yī)藥領域中，工業(yè)領域中，即便是日常生活中也得以應用，所以，該技術是有非常重要的發(fā)展前景的。

例如，將導體制冷技術用于現(xiàn)代的各種制冷設備中，諸如冰箱、空調等等，都可以配置電子冷卻器。半導體冰箱就是使用了半導體制冷技術。在具體的應用中，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，是專門用于儲存紅酒的。對于溫度要嚴格控制，應用半導體制冷技術就可以滿足冰箱的制冷要求。隨著社會的不斷發(fā)展，人們在追求生活質量的同時，對于制冷設備的要求也越來越高。當人們使用半導體冰箱的時候，就會發(fā)現(xiàn)這種冰箱比傳統(tǒng)冰箱的耗電量更低一些，甚至可以達到20%，節(jié)能效果良好。

使用半導體空調，與日常生活中使用的空調不同，而是應用于特殊場所中，諸如機艙、潛艇等等。采用相對穩(wěn)定的制冷技術，不僅可以保證快速制冷，而且可能夠滿足半導體制冷技術的各項要求。一些美國公司發(fā)現(xiàn)半導體制冷技術還有一個重要的功能，就是在有源電池中合理應用，就可以確保電源持續(xù)供應，可以超過8小時。在汽車制冷設備中，半導體制冷技術也得到應用。包括農業(yè)、天文學以及醫(yī)學領域，半導體制冷技術也發(fā)揮著重要的作用。

難點以及所存在的問題

（一）半導體制冷技術的難點

半導體制冷的過程中會涉及到很多的參數(shù)，而且條件是復雜多變的。任何一個參數(shù)對冷卻效果都會產生影響。實驗室研究中，由于難以滿足規(guī)定的噪聲，就需要對實驗室環(huán)境進行研究，但是一些影響因素的探討是存在難度的。半導體制冷技術是基于粒子效應的制冷技術，具有可逆性。所以，在制冷技術的應用過程中，冷熱端就會產生很大的溫差，對制冷效果必然會產生影響。

（二）半導體制冷技術所存在的問題

其一，半導體材料的優(yōu)質系數(shù)不能夠根據(jù)需要得到進一步的提升，這就必然會對半導體制冷技術的應用造成影響。其二，對冷端散熱系統(tǒng)和熱端散熱系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，但是在技術上沒有升級，依然處于理論階段，沒有在應用中更好地發(fā)揮作用，這就導致半導體制冷技術不能夠根據(jù)應用需要予以提升。其三，半導體制冷技術對于其他領域以及相關領域的應用存在局限性，所以，半導體制冷技術使用很少，對于半導體制冷技術的研究沒有從應用的角度出發(fā)，就難以在技術上擴展。其四，市場經濟環(huán)境中，科學技術的發(fā)展，半導體制冷技術要獲得發(fā)展，需要考慮多方面的問題。重視半導體制冷技術的應用，還要考慮各種影響因素，使得該技術更好地發(fā)揮作用。

未來發(fā)展

以GaN（氮化鎵）為代表的第三代半導體材料及器件的開發(fā)是新興半導體產業(yè)的核心和基礎，其研究開發(fā)呈現(xiàn)出日新月異的發(fā)展勢態(tài)。GaN基光電器件中，藍色發(fā)光二極管LED率先實現(xiàn)商品化生產成功開發(fā)藍光LED和LD之后，科研方向轉移到GaN紫外光探測器上GaN材料在微波功率方面也有相當大的應用市場。氮化鎵半導體開關被譽為半導體芯片設計上一個新的里程碑。美國佛羅里達大學的科學家已經開發(fā)出一種可用于制造新型電子開關的重要器件，這種電子開關可以提供平穩(wěn)、無間斷電源。

新型半導體材料在工業(yè)方面的應用越來越多。新型半導體材料表現(xiàn)為其結構穩(wěn)定，擁有卓越的電學特性，而且成本低廉，可被用于制造現(xiàn)代電子設備中廣泛使用，我國與其他國家相比在這方面還有著很大一部分的差距，通常會表現(xiàn)在對一些基本儀器的制作和加工上，近幾年來，國家很多的部門已經針對我國相對于其他國家存在的弱勢，這一方面統(tǒng)一的組織了各個方面的群體，對其進行有效的領導，然后共同努力去研制更加高水平的半導體材料。這樣才能夠在很大程度上適應我國工業(yè)化的進步和發(fā)展，為我國社會進步提供更強大的動力。首先需要進一步對超晶格量子阱材料進行研發(fā)，目前我國半導體材料在這方面的發(fā)展背景來看，應該在很大程度上去提高超高亮度，紅綠藍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，同時要根據(jù)市場上，更新一代的電子器件以及電路等要求進行強化，將這些光電子結構的材料，在未來生產過程中的需求進行仔細的分析和探討，然后去滿足未來世界半導體發(fā)展的方向，我們需要選擇更加優(yōu)化的布點，然后做好相關的開發(fā)和研究工作，這樣將各種研發(fā)機構與企業(yè)之間建立更好的溝通機制就可以在很大程度上實現(xiàn)高溫半導體材料，更深一步的開發(fā)和利用。