半导体及其应用

半导体是一种包罗很广的材料。这种材料长期间没有受到人们的重视。对它的系统的研究还只有二三十年的历史，但是在今天，它已经成为最受到普遍重视的新科学技术之一。在介绍它在国民经济和国防各部门中所起的作用之前，让我们先谈一下什么是半导体。

我们都知道在常用的电工材料中，就它们的传电性能而言可分导体和绝缘体两种。导体是很会传电的东西，我们利用它来把电传到需要的地方去。绝缘体是不会传电的东西，我们利用它来防止电传到不需要的地方去。在导体和绝缘体以外，我们还有许多的材料，它们的传电能力是在导体和绝缘体之间，这些材料就统称为半导体。半导体既不能被用来做导电的电线，也不能被用作隔离电的材料，这是它所以长期没有被人重视的主要原因。

大家都知道任何固体中都包含着大量的电子。如果这些电子都能自由地在固体中跑来跑去，那么这固体就是导体。如果这些电子都被束缚在相当的原子附近，那么这固体就是绝缘体。半导体中的电子基本上也是束缚住的，但是这些电子束缚在原子附近的牢固程度却比绝缘体中的电子弱得多。因此，在室温下，这些电子中的一部分就被原子的热振动激发成为自由电子，这就使半导体得到了一定的传电能力。半导体中束缚电子很容易被释放成自由电子的事实使半导体的电导率（传电能力）强烈地受到它四周环境的影响。如果把半导体的温度升高几度，或把光线照在半导体上，都能使它的电导率增加几倍乃至几十倍。半导体的电导率也还强烈地受半导体内部所含杂质的影响。例如我们在半导体材料锗中加入少量的杂质原子锑，由于每个锗原子的最外层有四个电子，而锑原子的最外层是五个电子，因此每当一个锗原子被杂质锑原子所替代的时候，在附近就多出了一个电子，这个电子往往是作为一个自由电子在锗块的内部出现。这也就是说锗中每加入一个杂质原子锑就能多出一个自由电子，这样我们就很容易利用掺入杂质原子锑的多少来控制锗的电导率的大小。

另外，当半导体中原先束缚在某个原子附近的电子被释放成自由电子的时候，这原子附近就缺了一个电子而出现一个空位。这时，束缚在邻近的原子附近的电子就很容易跑过来填充这个空位而使这空位好像移到了邻近原子的附近。这空位在半导体中的移动就好像一个带正电荷的粒子的运动。我们称这空位为“空穴”。半导体的传电也可能靠空穴的运动来达到。如果半导体是完全纯净的，那么它内部自由电子的数目应该正好等于空穴的数目；但是如果在半导体中掺入了不同的杂质原子，就可以使它的传电主要是依靠自由电子或空穴。主要靠电子传电的半导体称为电子型半导体或N型半导体；主要靠空穴传电的半导体称为空穴型半导体或P型半导体。在一块半导体的两边掺入不同的杂质而使它的一边成P型半导体而另一边成N型半导体，这样的结构称为P-N结。P－N结是半导体电子学器件中的主要结构。

半导体整流器实际上就是一个P-N结，如图1所示。当电流从左（P）方向右（N）方流过去时，P型半导体中的空穴和N型半导体中电子都流向P－N结的交界面。这种情况下的电阻很小，因此所加电压的方向称为正方向。如果把外加电压的方向倒过来，则空穴和电子流动的方向也倒过来，在P-N结的交界面附近就产生了一层缺乏自由电子和空穴的半导体，因而也就产生一层高电阻的阻挡层。这时所加电压的方向就称为反方向。如果把这样的P－N结串联在交流电路中，它可以使通过的电流只能往一定方向流（也就成为直流），也就是起了整流的作用。新型的锗整流器的构造很简单，体积和重量都很小，效率也很高。几十千瓦的整流设备如果用电动直流发电机的话，它的体积将占据半个房间，但是如果用新型的锗整流器，则它的大小只有一个书包那样大。因此，目前锗整流器已经开始在电化工业和牵引机械中广泛地使用，它也可能用作交流发电机上的励磁设备。

半导体放大器是由两小P－N结相反地串联在一起构成的。其中一个结称为发射结，另一个称为集电结。使用的时候，发射结上加上一个小的正向电压，集电结上加上一个大的反向电压。输入信号接在发射结的回路内（图2）。由输入信号所引起的电流的变化会依靠空穴的扩散作用流到集电结的回路里来。因为集电结的回路中有大的反向电压和高的负荷阻抗，我们在负荷阻抗上就可以得到电压和功率的放大。

半导体放大器可以代替一般普通的电子管，它有许多特殊的优点：构造简单坚固，不怕振动，体积小，重量轻，用电省，寿命长（图3）。一个锗放大器只有一粒黄豆那么大。用锗放大器所做成的收音机可以很容易的放在口袋里（图4），它所用的电要比普通电子管做的收音机小几百倍。利用半导体放大器还可能做成极为轻便的通信设备和非常小巧的自动控制设备等。这些设备在国防技术上都占有极重要的地位。复杂的电子计算机用了半导体做成的放大器后，体积和重量就可以大大地缩减。这不但有利于电子计算机本身的发展，而且使复杂的电子计算机得以更广泛地应用。

半导体热敏电阻是利用半导体的电阻随温度而改变的现象而制成的元件。它的灵敏度很高，往往可以探测到1％度以下的温度变化。由于它的体积可以做得很小，我们常利用它来测量小范围内或迅速变化的温度。热敏电阻也用在电工、电信和自动化机械中作为自动调节和控制的元件。

半导体光敏电阻是利用半导体的电阻受光线照射而改变它的阻值的现象而制成的元件。它不仅可以做得灵敏度很高，而且用各种半导体材料可以做成对各种不同波长的光线（包括眼睛看不见的X光，紫外光，红外光等）很灵敏的光敏电阻。也就是说，利用光敏电阻我们可以探测到眼睛看不见的各种光线，而且还能够测量它们的强度。军事上常利用红外光来通信，而半导体的光敏电阻在这里就可以作为红外光的探测器件。此外，光敏电阻也可以用作各种机械自动化的元件和测量或控制高温仪器中的元件。

把一块半导体的一端加热，另一端保持冷却；这时如果我们把半导体的两端用电线接通，电线里就会有电流。这是最简单的半导体温差发电器（图5）。利用这个原理做成的半导体温差发电器不仅构造非常简单，而且维护也很简单。它没有转动的机件，不需要经常的检查和加油等工作。苏联已经大规模生产半导体温差发电器，作为通信用的和无线电收音机上用的小功率电源。目前存在的问题是效率还不够高（只有10％）。要利用半导体温差发电器来作大规模的发电站还有待于进一步的研究。

当光线照到半导体的P-N结上时，P-N结的两边就会发出电来，这就是半导体的光电池。一般的半导体光电池可以用来作测量光强和自动控制的元件。新发展的硅光电池，由于它把光能转变为电能的效率大为提高，可以作成日光电池（太阳电池）；直接利用太阳光发电，效率可达11％。目前在美国已被用作长途电话增音站中的小功率电源，其中存在的主要问题是硅日光电池的成本太高，还不能大量使用。

上面简单地叙述了半导体的各种用途，也说明了发展半导体科学技术的重要性，但是发展半导体科学技术并不是一件轻而易举的事，因此下面想扼要地提一下其中存在的主要问题：（一）我们需要有超纯的半导体材料。在做半导体整流器和放大器时所用的原材料，其纯度要求达到99.99999%以上。这样高的纯度一般是不能用化学方法得到的，因此我们需要研究用特殊方法去得到这样超纯的半导体材料。（二）半导体器件往往是十分精密的器件。在半导体放大器里，除去外壳、支架和接线等外，实在的半导体只有一平方公厘大，半公厘厚。在这样小的半导体上要接出三根接线，同时半导体本身还要分成P-N-P三层，这里面的尺寸往往要准确到\(\frac{1}{1000}\)公厘的数量级。这些要求都说明发展半导体技术需要有精密的工艺。（三）半导体器件的制造还需要对杂质有严格的控制，在各处都要求有一定的杂质分布。在制造半导体放大器时，特别要注意半导体表面的处理，往往由于表面处理不当而使产品报废。因此，研究如何控制杂质和处理表面是发展半导体科学技术中的关键问题。（四）为了得到更好的半导体器件，我们需要了解半导体的各种基本性质。因此，对半导体基本性质的研究是发展半导体科学技术的重要方面之一。

目前半导体科学技术虽然已经获得了重大的实际成就，但是还有许多今天看来具有重大意义的可能性尚有待于进一步的探索和研究，在这些探索性的工作中，我们也将提出更多的关键性问题需要更深入的研究。（王守武）