導(dǎo)體和絕緣體之間的差異主要來自兩者的能帶（band）寬度不同。絕緣體的能帶比半導(dǎo)體寬，意即絕緣體價帶中的載子必須獲得比在半導(dǎo)體中更高的能量才能跳過能帶，進(jìn)入傳導(dǎo)帶中。室溫下的半導(dǎo)體導(dǎo)電性有如絕緣體，只有極少數(shù)的載子具有足夠的能量進(jìn)入傳導(dǎo)帶。因此，對於一個在相同電場下的本質(zhì)半導(dǎo)體（intrinsic semiconductor）和絕緣體會有類似的電特性，不過半導(dǎo)體的能帶寬度小於絕緣體也意味著半導(dǎo)體的導(dǎo)電性更容易受到控制而改變。

　　純質(zhì)半導(dǎo)體的電氣特性可以藉由植入雜質(zhì)的過程而改變，這個過程通常稱為「摻雜」（doping）。依照摻雜所使用的雜質(zhì)不同，摻雜後的半導(dǎo)體原子周圍可能會多出一個電子或一個電洞，而讓半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性變得與原本不同。如果摻雜進(jìn)入半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度夠高，半導(dǎo)體也可能會表現(xiàn)出如同金屬導(dǎo)體般的電性。在摻雜了不同極性雜質(zhì)的半導(dǎo)體接面處會有一個內(nèi)建電場（built-in electric field），內(nèi)建電場和許多半導(dǎo)體元件的操作原理息息相關(guān)。

　　除了藉由摻雜的過程改變電性外，半導(dǎo)體亦可因為施加於其上的電場改變而動態(tài)地變化。半導(dǎo)體材料也因為這樣的特性，很適合用來作為電路元件，例如電晶體。電晶體屬於主動式的（有源）半導(dǎo)體元件（active semiconductor devices），當(dāng)主動元件和被動式的（無源）半導(dǎo)體元件（passive semiconductor devices）如電阻器（resistor）或是電容器（capacitor）組合起來時，可以用來設(shè)計各式各樣的集成電路產(chǎn)品，例如微處理器。

　　當(dāng)電子從傳導(dǎo)帶掉回價帶時，減少的能量可能會以光的形式釋放出來。這種過程是制造發(fā)光二極體（light-emitting diode, LED）以及半導(dǎo)體激光（semiconductor laser）的基礎(chǔ)，在商業(yè)應(yīng)用上都有舉足輕重的地位。而相反地，半導(dǎo)體也可以吸收光子，透過光電效應(yīng)而激發(fā)出在價帶的電子，產(chǎn)生電訊號。這即是光探測器（photodetector）的來源，在光纖通訊（fiber-optic communications）或是太陽能電池（solar cell）的領(lǐng)域是最重要的元件。

　　半導(dǎo)體有可能是單一元素組成，例如矽。也可以是兩種或是多種元素的化合物（compound），常見的化合物半導(dǎo)體有砷化鎵（gallium arsenide, GaAs）或是磷化鋁銦鎵（aluminium gallium indium phosphide, AlGaInP）等。合金（alloy）也是半導(dǎo)體材料的來源之一，如矽鍺（silicon-germanium, SiGe）或是砷化鎵鋁（aluminium gallium arsenide, AlGaAs）等。

　　在形成晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體中，人為地?fù)饺胩囟ǖ碾s質(zhì)元素，導(dǎo)電性能具有可控性。

　　在光照和熱輻射條件下，其導(dǎo)電性有明顯的變化。

　　晶格 ：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣，稱為晶格。

　　共價鍵結(jié)構(gòu)：相鄰的兩個原子的一對最外層電子（即價電子）不但各自圍繞自身所屬的原子核運動，而且出現(xiàn)在相鄰原子所屬的軌道上，成為共用電子，構(gòu)成共價鍵。

　　自由電子的形成：在常溫下，少數(shù)的價電子由于熱運動獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子 。

　　空穴 ：價電子掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子而留下一個空位置稱空穴。

　　電子電流：在外加電場的作用下，自由電子產(chǎn)生定向移動，形成電子電流。

　　空穴電流：價電子按一定的方向依次填補空穴（即空穴也產(chǎn)生定向移動），形成空穴電流。

　　本征半導(dǎo)體的電流：電子電流+空穴電流。自由電子和空穴所帶電荷極性不同，它們運動方向相反。

　　載流子 ：運載電荷的粒子稱為載流子。

　　導(dǎo)體電的特點：導(dǎo)體導(dǎo)電只有一種載流子，即自由電子導(dǎo)電。

　　本征半導(dǎo)體電的特點：本征半導(dǎo)體有兩種載流子，即自由電子和空穴均參與導(dǎo)電。

　　本征激發(fā) ：半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

　　復(fù)合 ：自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補空穴，使兩者同時消失，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。

　　動態(tài)平衡 ：在一定的溫度下，本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子與空穴對，與復(fù)合的自由電子與空穴對數(shù)目相等，達(dá)到動態(tài)平衡。

　　載流子的濃度與溫度的關(guān)系：溫度一定，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。當(dāng)溫度升高時，熱運動加劇，掙脫共價鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多（即載流子的濃度升高），導(dǎo)電性能增強；當(dāng)溫度降低，則載流子的濃度降低，導(dǎo)電性能變差。

　　結(jié)論：本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能與溫度有關(guān)。半導(dǎo)體材料性能對溫度的敏感性，可制作熱敏和光敏器件，又造成半導(dǎo)體器件 溫度穩(wěn)定性差的原因。

　　雜質(zhì)半導(dǎo)體 ：通過擴散工藝，在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)元素，可得到雜質(zhì)半導(dǎo)體。

　　N型半導(dǎo)體 ：在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體。

　　多數(shù)載流子 ：N型半導(dǎo)體中，自由電子的濃度大于空穴的濃度，稱為多數(shù)載流子，簡稱多子。

　　少數(shù)載流子：N型半導(dǎo)體中，空穴為少數(shù)載流子，簡稱少子。

　　施子原子：雜質(zhì)原子可以提供電子，稱施子原子。

　　N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：它是靠自由電子導(dǎo)電，摻入的雜質(zhì)越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導(dǎo)電性能也就越強。

　　P型半導(dǎo)體：在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半導(dǎo)體。

　　多子 ：P型半導(dǎo)體中，多子為空穴。

　　少子 ：P型半導(dǎo)體中，少子為電子。

　　受主 原子：雜質(zhì)原子中的空位吸收電子，稱受主原子。

　　半導(dǎo)體中的電子所具有的能量被限制在基態(tài)（ground state）與自由電子（free electron）之間的幾個「能帶」（energy band）里，也就是電子所具備的能量必定為不連續(xù)的能階。當(dāng)電子在基態(tài)時，相當(dāng)於此電子被束縛在原子核附近；而相反地，如果電子具備了自由電子所需要的能量，那麼就能完全離開此材料。每個能帶都有數(shù)個相對應(yīng)的量子態(tài)（quantum state），而這些量子態(tài)中，能量較低的都已經(jīng)被電子所填滿。這些已經(jīng)被電子填滿的量子態(tài)中，能量的就被稱為價帶（valence band）。半導(dǎo)體和絕緣體在正常情況下，幾乎所有電子都在價帶或是其下的量子態(tài)里，因此沒有自由電子可供導(dǎo)電。

　　半導(dǎo)體和絕緣體之間的差異在於兩者之間能隙（energy bandgap）寬度不同，亦即電子欲從價帶跳入傳導(dǎo)帶（conduction band）時所必須獲得的能量不一樣。通常能隙寬度小於3電子伏特（eV）者為半導(dǎo)體，以上為絕緣體。

　　在零度時，固體材料中的所有電子都在價帶中，而傳導(dǎo)帶為完全空置。當(dāng)溫度開始上升，高於零度時，有些電子可能會獲得能量而進(jìn)入傳導(dǎo)帶中。傳導(dǎo)帶是所有能夠讓電子在獲得外加電場的能量後，移動穿過晶體、形成電流的能帶，所以傳導(dǎo)帶的位置就緊鄰價帶之上，而傳導(dǎo)帶和價帶之間的差距即是能隙。通常對半導(dǎo)體而言，能隙的大小約為1電子伏特上下。在傳導(dǎo)帶中，和電流行成相關(guān)的電子通常稱為自由電子。又根據(jù)包利不相容原理（Pauli exclusion principle），同一個量子態(tài)內(nèi)不能有兩個電子，已經(jīng)被填滿的能帶無法導(dǎo)電，因為該能帶內(nèi)的所有量子態(tài)都已經(jīng)被電子占據(jù)，所以半導(dǎo)體材料的傳導(dǎo)帶不會被電子占滿，讓電子可以在其中的量子態(tài)間移動。

　　在價帶內(nèi)的電子獲得能量後便可躍升到傳導(dǎo)帶，而這便會在價帶內(nèi)留下一個空缺，也就是所謂的「電洞」（electron holes）。傳導(dǎo)帶中的電子和價帶中的電洞都對電流傳遞有貢獻(xiàn)，電洞本身不會移動，但是其它電子可以移動到這個電洞上面，等效於電洞本身往反方向移動。相對於帶負(fù)電的電子，電洞的電性為正電。

　　由化學(xué)鍵結(jié)的觀點來看，獲得足夠能量、進(jìn)入傳導(dǎo)帶的電子也等於有足夠能量可以打破電子與固體原子間的共價鍵（covalent bonds），而變成自由電子，進(jìn)而對電流傳導(dǎo)做出貢獻(xiàn)。

　　半導(dǎo)體和導(dǎo)體之間有個顯著的不同是半導(dǎo)體的電流傳導(dǎo)同時來自電流與電洞的貢獻(xiàn)，而導(dǎo)體的費米能階（Fermi level）則已經(jīng)在傳導(dǎo)帶內(nèi)，因此電子不需要很大的能量即可找到空缺的量子態(tài)供其跳躍、造成電流傳導(dǎo)。

　　固體材料內(nèi)的電子能量分布遵循費米-狄拉克分布（Fermi-Dirac Distribution）。在零度時，材料內(nèi)電子的能量即為費米能階，當(dāng)溫度高於零度時，費米能階為所有能階中，被電子占據(jù)機率等於0.5的能階。半導(dǎo)體材料內(nèi)電子能量分布為溫度的函數(shù)也使其導(dǎo)電特性受到溫度很大的影響，當(dāng)溫度很低時，可以跳到傳導(dǎo)帶的電子較少，因此導(dǎo)電性也會變得較差。

　　半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對某些微量雜質(zhì)極敏感。純度很高的半導(dǎo)體材料稱為本征半導(dǎo)體，常溫下其電阻率很高，是電的不良導(dǎo)體。在高純半導(dǎo)體材料中摻入適當(dāng)雜質(zhì)后，由于雜質(zhì)原子提供導(dǎo)電載流子，使材料的電阻率大為降低。這種摻雜半導(dǎo)體常稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的稱N型半導(dǎo)體，靠價帶空穴導(dǎo)電的稱P型半導(dǎo)體。不同類型半導(dǎo)體間接觸（構(gòu)成PN結(jié)）或半導(dǎo)體與金屬接觸時，因電子（或空穴）濃度差而產(chǎn)生擴散，在接觸處形成位壘，因而這類接觸具有單向?qū)щ娦浴＠�用PN結(jié)的單向?qū)щ娦�，可以制成具有不同功能的半�?dǎo)體器件，如二極管、三極管、晶閘管等。此外，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對外界條件（如熱、光、電、磁等因素）的變化非常敏感，據(jù)此可以制造各種敏感元件，用于信息轉(zhuǎn)換。

　　半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)有禁帶寬度、電阻率、載流子遷移率、非平衡載流子壽命和位錯密度。禁帶寬度由半導(dǎo)體的電子態(tài)、原子組態(tài)決定，反映組成這種材料的原子中價電子從束縛狀態(tài)激發(fā)到自由狀態(tài)所需的能量。電阻率、載流子遷移率反映材料的導(dǎo)電能力。非平衡載流子壽命反映半導(dǎo)體材料在外界作用（如光或電場）下內(nèi)部載流子由非平衡狀態(tài)向平衡狀態(tài)過渡的弛豫特性。位錯是晶體中最常見的一類缺陷。位錯密度用來衡量半導(dǎo)體單晶材料晶格完整性的程度，對于非晶態(tài)半導(dǎo)體材料，則沒有這一參數(shù)。半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)不僅能反映半導(dǎo)體材料與其他非半導(dǎo)體材料之間的差別 ，更重要的是能反映各種半導(dǎo)體材料之間甚至同一種材料在不同情況下，其特性的量值差別。

　　常用的半導(dǎo)體材料分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體是由單一元素制成的半導(dǎo)體材料。主要有硅、鍺、硒等，以硅、鍺應(yīng)用最廣�；�合物半��(dǎo)體分為二元系、三元系、多元系和有機化合物半導(dǎo)體。二元系化合物半導(dǎo)體有Ⅲ-Ⅴ族（如砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等）、Ⅱ-Ⅵ族（如硫化鎘、硒化鎘、碲化鋅、硫化鋅等）、 Ⅳ-Ⅵ族（如硫化鉛、硒化鉛等） 、Ⅳ-Ⅳ族（如碳化硅）化合物。三元系和多元系化合物半導(dǎo)體主要為三元和多元固溶體，如鎵鋁砷固溶體、鎵鍺砷磷固溶體等。有機化合物半導(dǎo)體有萘、蒽、聚丙烯腈等，還處于研究階段。此外，還有非晶態(tài)和液態(tài)半導(dǎo)體材料，這類半導(dǎo)體與晶態(tài)半導(dǎo)體的區(qū)別是不具有嚴(yán)格周期性排列的晶體結(jié)構(gòu)。

　　半導(dǎo)體照明的巨大誘惑已經(jīng)讓不少國家對未來照明領(lǐng)域充滿樂觀，世界各國政府紛紛付諸實踐。 美國能源部門預(yù)測，到2010年，美國將有55％的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)體照明替代，到時每年可節(jié)電350億美元。美國已經(jīng)啟動了國家半導(dǎo)體照明計劃，歐盟啟動了彩虹計劃，日本啟動了21世紀(jì)光計劃。日本政府明確提出，2006年就要用半導(dǎo)體照明大規(guī)模替代傳統(tǒng)白熾燈。 中國是世界上的照明燈具制造國，擁有巨大的照明工業(yè)和照明市場。同時，中國又攻克了大功率發(fā)光芯片的技術(shù)難關(guān)，半導(dǎo)體照明的產(chǎn)業(yè)意義與價值不可估量。由科技部和十幾個地方政府共同實施的國家半導(dǎo)體照明工程項目也已啟動。2003年6月，我國成立“國家半導(dǎo)體照明工程領(lǐng)導(dǎo)小組”，以中科院半導(dǎo)體所和物理所、北京大學(xué)、清華大學(xué)等科研院所為代表，積極介入第三代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的研發(fā)，將技術(shù)成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化。 自20世紀(jì)60年代末由中科院長春物理所研制成功ＬＥＤ（半導(dǎo)體發(fā)光二極管）始，至2004年，我國已有ＬＥＤ各類企業(yè)約3500余家，從業(yè)人員50余萬人，年產(chǎn)相關(guān)器件達(dá)400億只以上，市場規(guī)模已超過人民幣300億元。目前已經(jīng)初步形成從外延片生產(chǎn)、芯片制備、器件封裝集成應(yīng)用等比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈，全國從事半導(dǎo)體發(fā)光二極管器件及照明系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模以上的企業(yè)有400多家。中國在顯示屏、交通信號等領(lǐng)域已有大量的中低檔ＬＥＤ產(chǎn)品在市場銷售，并形成一定的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)和自主知識產(chǎn)權(quán)。 在政策上，今年5月召開的中國綠色照明國際會議暨第六屆國際高效照明會議明確提出，“十一五”期間，國家發(fā)展和改革委員會將重點在公用設(shè)施、賓館、商廈、寫字樓、體育場館、居民住宅中推廣高效節(jié)電照明系統(tǒng)。國家還將嚴(yán)格照明產(chǎn)品市場準(zhǔn)入，達(dá)不到強制性能效標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品不得生產(chǎn)銷售，達(dá)不到建筑照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑不得開工建設(shè)。國家將建立激勵機制，加快高效照明產(chǎn)品推廣應(yīng)用，研究提出鼓勵高效照明產(chǎn)品生產(chǎn)、使用的財政稅收政策�？茖W(xué)家們預(yù)測，盡管半導(dǎo)體照明取代節(jié)能燈，走進(jìn)中國千家萬戶可能還需要幾年甚至更長時間，大到景觀照明、戶外大屏幕，小到玩具、手電筒、圣誕燈，人們有理由相信，ＬＥＤ將會照亮每個人的居室，從而改變我們的生活。

　　不同的半導(dǎo)體器件對半導(dǎo)體材料有不同的形態(tài)要求，包括單晶的切片、磨片、拋光片、薄膜等。半導(dǎo)體材料的不同形態(tài)要求對應(yīng)不同的加工工藝。常用的半導(dǎo)體材料制備工藝有提純、單晶的制備和薄膜外延生長。

　　所有的半導(dǎo)體材料都需要對原料進(jìn)行提純，要求的純度在6個“9”以上 ，達(dá)11個“9”以上。提純的方法分兩大類，一類是不改變材料的化學(xué)組成進(jìn)行提純，稱為物理提純；另一類是把元素先變成化合物進(jìn)行提純，再將提純后的化合物還原成元素，稱為化學(xué)提純。物理提純的方法有真空蒸發(fā)、區(qū)域精制、拉晶提純等，使用最多的是區(qū)域精制�；瘜W(xué)提純的主要方法有電解、絡(luò)合、萃取、精餾等，使用最多的是精餾。由于每一種方法都有一定的局限性，因此常使用幾種提純方法相結(jié)合的工藝流程以獲得合格的材料。

　　絕大多數(shù)半導(dǎo)體器件是在單晶片或以單晶片為襯底的外延片上作出的。成批量的半導(dǎo)體單晶都是用熔體生長法制成的。直拉法應(yīng)用最廣，80％的硅單晶、大部分鍺單晶和銻化銦單晶是用此法生產(chǎn)的，其中硅單晶的直徑已達(dá)300 毫米。在熔體中通入磁場的直拉法稱為磁控拉晶法，用此法已生產(chǎn)出高均勻性硅單晶。在坩堝熔體表面加入液體覆蓋劑稱液封直拉法，用此法拉制砷化鎵、磷化鎵、磷化銦等分解壓較大的單晶。懸浮區(qū)熔法的熔體不與容器接觸，用此法生長高純硅單晶。水平區(qū)熔法用以生產(chǎn)鍺單晶。水平定向結(jié)晶法主要用于制備砷化鎵單晶，而垂直定向結(jié)晶法用于制備碲化鎘、砷化鎵。用各種方法生產(chǎn)的體單晶再經(jīng)過晶體定向、滾磨、作參考面、切片、磨片、倒角、拋光、腐蝕、清洗、檢測、封裝等全部或部分工序以提供相應(yīng)的晶片。

　　在單晶襯底上生長單晶薄膜稱為外延。外延的方法有氣相、液相、固相、分子束外延等。工業(yè)生產(chǎn)使用的主要是化學(xué)氣相外延，其次是液相外延。金屬有機化合物氣相外延和分子束外延則用于制備量子阱及超晶格等微結(jié)構(gòu)。非晶、微晶、多晶薄膜多在玻璃、陶瓷、金屬等襯底上用不同類型的化學(xué)氣相沉積、磁控濺射等方法制成。