空穴空穴又稱電洞（Electron hole），在固體物理學(xué)中指共價(jià)鍵上流失一個(gè)電子，最后在共價(jià)鍵上留下空位的現(xiàn)象。一個(gè)呈電中性的原子，其正電的質(zhì)子和負(fù)電的電子的數(shù)量是相等的?，F(xiàn)在由于少了一個(gè)負(fù)電的電子，所以那里就會(huì)呈現(xiàn)出一個(gè)正電性的空位——空穴。當(dāng)有外面一個(gè)電子進(jìn)來(lái)掉進(jìn)了空穴，就會(huì)發(fā)出電磁波——光子?？昭ú皇钦娮樱娮优c正電子相遇湮滅時(shí)，所發(fā)出來(lái)的光子是非常高能的。那是兩粒子的質(zhì)量所完全轉(zhuǎn)化出來(lái)的電磁波（通常會(huì)轉(zhuǎn)出一對(duì)光子）。而電子掉入空穴所發(fā)出來(lái)的光子，其能量通常只有幾個(gè)電子伏特。半導(dǎo)體由于禁帶較窄，電子只需不多的能量就能從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶中留下空穴。周圍電子可以填補(bǔ)這個(gè)空穴，同時(shí)在原位置產(chǎn)生一個(gè)新的空穴，因此實(shí)際上的電子運(yùn)動(dòng)看起來(lái)就如同是空穴在移動(dòng)。在半導(dǎo)體的制備中，要在4價(jià)的本征半導(dǎo)體（純硅、鍺等的晶體）的基礎(chǔ)上摻雜。若摻入3價(jià)元素雜質(zhì)（如硼、鎵、銦、鋁等），則可產(chǎn)生大量空穴，獲得P型半導(dǎo)體，又稱空穴型半導(dǎo)體。空穴是P型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子。
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電子電子是一種帶有負(fù)電的次原子粒子。電子屬于輕子類，以重力、電磁力和弱核力與其它粒子相互作用。輕子是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子之一，無(wú)法被分解為更小的粒子。電子帶有1/2自旋，是一種費(fèi)米子。因此，根據(jù)泡利不相容原理，任何兩個(gè)電子都不能處于同樣的狀態(tài)。電子的反粒子是正電子，其質(zhì)量、自旋、帶電量大小都與電子相同，但是電量正負(fù)性與電子相反。電子與正電子會(huì)因碰撞而互相湮滅，在這過(guò)程中，生成一對(duì)以上的光子。由電子與中子、質(zhì)子所組成的原子，是物質(zhì)的基本單位。相對(duì)于中子和質(zhì)子所組成的原子核，電子的質(zhì)量顯得極小。質(zhì)子的質(zhì)量大約是電子質(zhì)量的1836倍。當(dāng)原子的電子數(shù)與質(zhì)子數(shù)不等時(shí)，原子會(huì)帶電；稱該帶電原子為離子。當(dāng)原子得到額外的電子時(shí)，它帶有負(fù)電，叫陰離子，失去電子時(shí)，它帶有正電，叫陽(yáng)離子。若物體帶有的電子多于或少于原子核的電量，導(dǎo)致正負(fù)電量不平衡時(shí)，稱該物體帶靜電。當(dāng)正負(fù)電量平衡時(shí)，稱物體的電性為電中性。靜電在日常生活中有很多用途，例如，靜電油漆系統(tǒng)能夠?qū)⒋善峄蚓郯滨テ?，均勻地噴灑于物品表面。電子與質(zhì)子之間的吸引性庫(kù)侖力，使得電子被束縛于原子，稱此電子為束縛電子。兩個(gè)以上的原子，會(huì)交換或分享它們的束縛電子，這是化學(xué)鍵的主要成因。當(dāng)電子脫離原子核的束縛，能夠自由移動(dòng)時(shí)，則改稱此電子為自由電子。許多自由電子一起移動(dòng)所產(chǎn)生的凈流動(dòng)現(xiàn)象稱為電流。在許多物理現(xiàn)象里，像電傳導(dǎo)、磁性或熱傳導(dǎo)，電子都扮演了機(jī)要的角色。移...
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載流子在物理學(xué)中，載流子（charge carrier），或簡(jiǎn)稱載子（carrier），指可以自由移動(dòng)的帶有電荷的物質(zhì)微粒，如電子和離子。在半導(dǎo)體物理學(xué)中，電子流失導(dǎo)致共價(jià)鍵上留下的空位（空穴）被視為載流子。在電解質(zhì)溶液中，載流子是已溶解的陽(yáng)離子和陰離子。類似地，游離液體中的陽(yáng)離子和陰離子在液體和熔融態(tài)固體電解質(zhì)中也是載流子?；魻枺ｔ敺ň褪且粋€(gè)熔融電解的例子。在等離子體，如電弧中，電離氣體和汽化的電極材料中的電子和陽(yáng)離子是載流子。電極汽化在真空中也可以發(fā)生，但技術(shù)上電弧在真空中不能發(fā)生，而是發(fā)生在低壓電氣中；在真空中，如真空電弧或真空管中，自由電子是載流子；在金屬中，金屬晶格中形成費(fèi)米氣體的電子是載流子。半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子和少數(shù)載流子在半導(dǎo)體中，電子和空穴作為載流子。數(shù)目較多的載流子稱為多數(shù)載流子；在N型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是電子，而在P型半導(dǎo)體中多數(shù)載流子是空穴。數(shù)目較少的載流子稱為少數(shù)載流子；在N型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子是空穴，而在P型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子是電子。少數(shù)載流子在雙極性晶體管和太陽(yáng)能電池中起重要作用。不過(guò)，此種載流子在場(chǎng)效應(yīng)管（FET）中的作用是有些復(fù)雜的：例如，MOSFET兼有P型和N型。晶體管酌涉及到源漏區(qū)，但這些少數(shù)載流子橫穿多數(shù)載流子體。不過(guò)在傳送區(qū)內(nèi)，橫穿的載流子比其相反類型載流子的數(shù)目多得多（實(shí)際上，相反類型的載流子會(huì)被外加電場(chǎng)移除而形成耗盡層），因此按慣例...
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PN結(jié)一塊半導(dǎo)體晶體一側(cè)摻雜成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成N型半導(dǎo)體，中間二者相連的接觸面稱為PN結(jié)（英語(yǔ)：pn junction）。PN結(jié)是電子技術(shù)中許多元件，例如半導(dǎo)體二極管、雙極性晶體管的物質(zhì)基礎(chǔ)。N型半導(dǎo)體摻入少量雜質(zhì)磷元素（或銻元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導(dǎo)體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，磷原子外層的五個(gè)外層電子的其中四個(gè)與周圍的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，多出的一個(gè)電子幾乎不受束縛，較為容易地成為自由電子。于是，N型半導(dǎo)體就成為了含自由電子濃度較高的半導(dǎo)體，其導(dǎo)電性主要是因?yàn)樽杂呻娮訉?dǎo)電。P型半導(dǎo)體摻入少量雜質(zhì)硼元素（或銦元素）的硅晶體（或鍺晶體）中，由于半導(dǎo)體原子（如硅原子）被雜質(zhì)原子取代，硼原子外層的三個(gè)外層電子與周圍的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“空穴”，這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)“填充”，使得硼原子成為帶負(fù)電的離子。這樣，這類半導(dǎo)體由于含有較高濃度的“空穴”（“相當(dāng)于”正電荷），成為能夠?qū)щ姷奈镔|(zhì)。PN結(jié)的形成采用一些特殊的工藝，可以將上述的P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體緊密地結(jié)合在一起。在二者的接觸面的位置形成一個(gè)PN結(jié)。P型、N型半導(dǎo)體由于分別含有較高濃度的“空穴”和自由電子，存在濃度梯度，所以二者之間將產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。即：● 自由電子由N型半導(dǎo)體向P型半導(dǎo)體的方向擴(kuò)散● 空穴由P型半導(dǎo)體向N型半導(dǎo)體的方向擴(kuò)散載流子經(jīng)過(guò)擴(kuò)散的過(guò)程后，擴(kuò)散...
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晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)是指晶體的周期性結(jié)構(gòu)。固體材料可以分為晶體、準(zhǔn)晶體和非晶體三大類，其中，晶體內(nèi)部原子的排列具有周期性，外部具有規(guī)則外形，比如鉆石。Hauy最早提出晶體的規(guī)則外型是因?yàn)榫w內(nèi)部原子分子呈規(guī)則排列，比如鉆石所具有的完美外形和優(yōu)良光學(xué)性質(zhì)就可以歸結(jié)為其內(nèi)部原子的規(guī)則排列。20世紀(jì)初期，勞厄發(fā)明X射線衍射法，從此人們可以使用X射線來(lái)研究晶體內(nèi)部的原子排列，其研究結(jié)果進(jìn)而證實(shí)了Hauy的判斷。晶體內(nèi)部原子排列的具體形式一般稱之為晶格，不同的晶體內(nèi)部原子排列稱為具有不同的晶格結(jié)構(gòu)。各種晶格結(jié)構(gòu)又可以歸納為七大晶系，各種晶系分別與十四種空間格（稱作布拉維晶格）相對(duì)應(yīng)，在宏觀上又可以歸結(jié)為三十二種空間點(diǎn)群，在微觀上可進(jìn)一步細(xì)分為230個(gè)空間群。對(duì)于晶體結(jié)構(gòu)的研究是研究固體材料的宏觀性質(zhì)及各種微觀過(guò)程的基礎(chǔ)。專門研究分子結(jié)晶結(jié)構(gòu)的科學(xué)稱為晶體學(xué)，經(jīng)常應(yīng)用在化學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)。
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柴可拉斯基法柴可拉斯基法（簡(jiǎn)稱柴氏法 英語(yǔ)：Czochralski process），又稱直拉法，是一種用來(lái)獲取半導(dǎo)體（如硅、鍺和砷化鎵等）、金屬（如鈀、鉑、銀、金等）、鹽、合成寶石單晶材料的晶體生長(zhǎng)方法。這個(gè)方法得名于波蘭科學(xué)家揚(yáng)·柴可拉斯基，他在1916年研究金屬的結(jié)晶速率時(shí)，發(fā)明了這種方法。后來(lái)，演變?yōu)殇撹F工廠的標(biāo)準(zhǔn)制程之一。直拉法最重要的應(yīng)用是晶錠、晶棒、單晶硅的生長(zhǎng)。其他的半導(dǎo)體，例如砷化鎵，也可以利用直拉法進(jìn)行生長(zhǎng)，也有一些其他方法（如布里奇曼-史托巴格法）可以獲得更低的晶體缺陷密度。硅的直拉法生長(zhǎng)高純度的半導(dǎo)體級(jí)多晶硅在一個(gè)坩堝（通常是由石英制成）中被加熱至熔融狀態(tài)。諸如硼原子和磷原子的雜質(zhì)原子可以精確定量地被摻入熔融的硅中，這樣就可以使硅變?yōu)镻型或N型硅。這個(gè)摻雜過(guò)程將改變硅的電學(xué)性質(zhì)。將晶種（或稱“籽晶”）置于一根精確定向的棒的末端，并使末端浸入熔融狀態(tài)的硅。然后，將棒緩慢地向上提拉，同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。如果對(duì)棒的溫度梯度、提拉速率、旋轉(zhuǎn)速率進(jìn)行精確控制，那么就可以在棒的末端得到一根較大的、圓柱體狀的單晶晶錠。通過(guò)研究晶體生長(zhǎng)中溫度、速度的影響，可以盡量避免不必要的結(jié)果。上述過(guò)程通常在惰性氣體（例如氬）氛圍中進(jìn)行，并采用坩堝這種由較穩(wěn)定的化學(xué)材料制成的反應(yīng)室。
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單晶單晶是指其內(nèi)部微粒有規(guī)律地排列在一個(gè)空間格子內(nèi)的晶體。其晶體結(jié)構(gòu)是連續(xù)的，或者可以說(shuō)，在宏觀尺度范圍內(nèi)單晶不包含晶界。與單晶相對(duì)的，是眾多晶粒（Crystallite）組成的多晶（Polycrystal）。單晶材料是一種應(yīng)用日益廣泛的新材料，由單獨(dú)的一個(gè)晶體組成，其衍射花樣為規(guī)則的點(diǎn)陣。相對(duì)普通的多晶體材料性能特殊，一般采用提拉法制備。單晶根據(jù)晶體生長(zhǎng)法制作分為：1、借由柴克勞司基法（Czochralski）：將復(fù)晶晶體提煉成對(duì)稱的、有規(guī)律的、成幾何型的單晶晶格結(jié)構(gòu)。2、浮區(qū)法（Floating zone）：可將低純度硅晶體提煉成對(duì)稱的、有規(guī)律的、成幾何型的單晶晶格結(jié)構(gòu)。
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晶種晶種是一小塊單晶或多晶（通常是單晶），像種子般用來(lái)成長(zhǎng)與自身相同材料、相同晶體結(jié)構(gòu)的大晶體。無(wú)論把晶種浸入過(guò)飽和溶液，或使晶種與熔融材料接觸并冷卻，或者讓材料蒸氣在晶種表面沉積，皆能成長(zhǎng)出大晶體。晶種效果背后的理論，從化合物與過(guò)飽和溶液（或與蒸氣）的分子間物理交互作用衍生而來(lái)。在溶液中，自由的可溶分子（溶質(zhì)）在隨機(jī)流動(dòng)中自由移動(dòng)。此隨機(jī)流動(dòng)允許兩個(gè)或更多的化合物分子有機(jī)會(huì)交互作用。這種交互作用可以強(qiáng)化分離的分子之間的分子間作用力并形成晶格的基礎(chǔ)。然而將晶種置入溶液會(huì)使隨機(jī)分子間的碰撞與交互作用減少，促進(jìn)再結(jié)晶過(guò)程。 借由引入已有秩序的晶體，分子間不用太仰賴隨機(jī)流動(dòng)就可以很容易地進(jìn)行交互作用。在溶液中這種溶質(zhì)發(fā)展出晶格的相變化被稱為成核。簡(jiǎn)言之，晶種效果就是縮短了再結(jié)晶過(guò)程中的成核時(shí)間。在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，常用的柴可拉斯基法與布里奇曼-史托巴格法就是用小晶種長(zhǎng)出大人造胚晶或晶錠的運(yùn)用實(shí)例。
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半導(dǎo)體半導(dǎo)體（英語(yǔ)：Semiconductor）是一種電導(dǎo)率在絕緣體至導(dǎo)體之間的物質(zhì)。電導(dǎo)率容易受控制的半導(dǎo)體，可作為信息處理的元件材料。從科技或是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來(lái)看，半導(dǎo)體的重要性非常巨大。很多電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、數(shù)字錄音機(jī)的核心單元都是利用半導(dǎo)體的電導(dǎo)率變化來(lái)處理信息。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅更是各種半導(dǎo)體材料中，在商業(yè)應(yīng)用上最具有影響力的一種。材料的導(dǎo)電性是由導(dǎo)帶中含有的電子數(shù)量決定。當(dāng)電子從價(jià)帶獲得能量而跳躍至導(dǎo)電帶時(shí)，電子就可以在帶間任意移動(dòng)而導(dǎo)電。一般常見(jiàn)的金屬材料其導(dǎo)電帶與價(jià)電帶之間的能隙非常小，在室溫下電子很容易獲得能量而跳躍至導(dǎo)電帶而導(dǎo)電，而絕緣材料則因?yàn)槟芟逗艽螅ㄍǔ４笥?電子伏特），電子很難跳躍至導(dǎo)電帶，所以無(wú)法導(dǎo)電。一般半導(dǎo)體材料的能隙約為1至3電子伏特，介于導(dǎo)體和絕緣體之間。因此只要給予適當(dāng)條件的能量激發(fā)，或是改變其能隙之間距，此材料就能導(dǎo)電。半導(dǎo)體通過(guò)電子傳導(dǎo)或空穴傳導(dǎo)的方式傳輸電流。電子傳導(dǎo)的方式與銅線中電流的流動(dòng)類似，即在電場(chǎng)作用下高度電離的原子將多余的電子向著負(fù)離子化程度比較低的方向傳遞?？昭▽?dǎo)電則是指在正離子化的材料中，原子核外由于電子缺失形成的“空穴”，在電場(chǎng)作用下，空穴被少數(shù)的電子補(bǔ)入而造成空穴移動(dòng)所形成的電流（一般稱為正電流）。材料中載流子（carrier）的數(shù)量對(duì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性極為重要。這可以通過(guò)在半導(dǎo)體中有選...
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![集成電路的發(fā)展與普及]( "集成電路的發(fā)展與普及")
集成電路的發(fā)展最先進(jìn)的集成電路是微處理器或多核處理器的核心，可以控制計(jì)算機(jī)到手機(jī)到數(shù)字微波爐的一切。存儲(chǔ)器和特定應(yīng)用集成電路是其他集成電路家族的例子，對(duì)于現(xiàn)代信息社會(huì)非常重要。雖然設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一個(gè)復(fù)雜集成電路的成本非常高，但是當(dāng)分散到通常以百萬(wàn)計(jì)的產(chǎn)品上，每個(gè)集成電路的成本最小化。集成電路的性能很高，因?yàn)樾〕叽鐜?lái)短路徑，使得低功率邏輯電路可以在快速開(kāi)關(guān)速度應(yīng)用。這些年來(lái)，集成電路持續(xù)向更小的外型尺寸發(fā)展，使得每個(gè)芯片可以封裝更多的電路。這樣增加了每單位面積容量，可以降低成本和增加功能－見(jiàn)摩爾定律，集成電路中的晶體管數(shù)量，每1.5年增加一倍?？傊?，隨著外形尺寸縮小，幾乎所有的指標(biāo)改善了－單位成本和開(kāi)關(guān)功率消耗下降，速度提高。但是，集成納米級(jí)別設(shè)備的IC不是沒(méi)有問(wèn)題，主要是泄漏電流。因此，對(duì)于最終用戶的速度和功率消耗增加非常明顯，制造商面臨使用更好幾何學(xué)的尖銳挑戰(zhàn)。這個(gè)過(guò)程和在未來(lái)幾年所期望的進(jìn)步，在半導(dǎo)體國(guó)際技術(shù)路線圖中有很好的描述。越來(lái)越多的電路以集成芯片的方式出現(xiàn)在設(shè)計(jì)師手里，使電子電路的開(kāi)發(fā)趨向于小型化、高速化。越來(lái)越多的應(yīng)用已經(jīng)由復(fù)雜的模擬電路轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯集成電路。集成電路的普及僅在其開(kāi)發(fā)后半個(gè)世紀(jì)，集成電路變得無(wú)處不在，計(jì)算機(jī)、手機(jī)和其他數(shù)字電器成為現(xiàn)代社會(huì)結(jié)構(gòu)不可缺少的一部分。這是因?yàn)?，現(xiàn)代計(jì)算、交流、制造和交通系統(tǒng)，包括互聯(lián)網(wǎng)，全都依賴于集成電路的存在。甚至很多學(xué)...
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