原创 三张图，更好的理解，什么是半导体？

当定义一种称为“半导体”的物体时，通常按字面意思对其进行解释。“半导体”一词由前缀“semi-”（意为“半”）和单词“conductor”（“导体”）组合而成，其介于导体和绝缘体之间。那么，“半”电流到底是什么意思？如何才能更精确地定义半导体？

区分导体和绝缘体的标准是是否“导电”。如果一种物体导电，则为导体；如果不导电，则为绝缘体。那么，作为介于导体和绝缘体之间的物体，半导体到底应传导多少电流？10[A]还是10[mA]？10[nA]还是10[pA]？没有人能给出确切答案。原因是“传导一半电流”的含义只是字面意义，并无科学界定。

但是，诸如“导电（ON）”和“不导电（OFF）”这样的二分规则在字面上和科学上都讲得通，所以对导体和绝缘体的定义具有合理性。在这种定义下，半导体（意味着半“导电”）属于“导电（ON）”类别，所以半导体应被视为“导体”。因此，就电流（导电性）而言，半导体必须包含在导体的范畴内。那为何要将半导体和导体区分开来呢？

图1. 半导体的导电与绝缘性质与其电阻率的改变有关
（参考陈锺文撰写的《Basic Insight NAND Flash Memory》一书）

原因是，当区分导体、半导体和绝缘体时，“材料属性”的影响大于物体本身属性或操作的影响。地球上的材料中，特别是属于14族元素的纯锗和硅，都是绝缘材料；然而，当13族或15族元素与14族元素进行化学合成（掺杂）并与14族元素键合（共用原子和最外层电子）后，电导率（σ）有所增加。换句话说，电阻率（ρ），也就是不导电的程度，相应降低。这是一项突破性的技术创新，可以根据需要控制电流量，同时自由管理掺杂浓度。由此可见，半导体的魅力在于其可以通过掺杂（扩散或离子注入法）将纯硅绝缘体转化为导电材料。

同时，可以根据掺杂量来决定电导率或电阻率。被掺杂的材料（具有比绝缘材料低而比导电材料高的中等电阻率值）称为半导体。这种材料具有多种类型，如基板（N型/P型基板）、“井”字形（N型/P型)、源型/漏极端子（N型/P型）、多栅端子和其他次要层。半导体有时用作导体或绝缘体。因此，将半导体定义为“半个导体”这种说法不甚明确。但，三四年前，在3D-NAND中限制（存储）电子时，有时使用一种具有半导体概念的CTF材料，但除了这些情况，半导体都被用作导体或绝缘体。

图2. 四个影响半导体的常数

半导体可以用许多变量和常数来表征和分类，但在区分导电或绝缘的材料性质时，用常数来表示比较方便。在表征半导体的各个常数中，电导率、介电常数或磁导率难以计算，因为这些电气或磁性特性应通过输入变量（如电场强度或磁场强度）来推导出。

但是，当使用表示电阻率的常数ρ，时，半导体的三维体积（长度和面积）和材料属性可以由固定值（常数）推导出。此外，电阻率不容易受到除温度外的其他数值的影响。半导体的电阻率范围为10^-4至10^2 Ω⋅m，这便于表征材料属性（随着数据变化，该范围略有不同）：但是，这些电阻率值也会随着温度的变化而变化。

图3. TR的内部结构和电阻率@旧模型结构

综上所述，半导体是指通过将13族或15族的杂质元素与绝缘材料纯硅进行化学键合（掺杂），将材料的电阻率常数降低到约10^-4至10^2 Ω⋅m而得到的一种物体。这种掺杂方法通过允许每种材料或每层具有各自独特的电阻率常数来决定非存储设备和存储设备的电阻率或电导率常数。根据这些常数的值提前计算电荷是否容易变动，这也影响了捕获或存储电子的能力。存储设备还受到介电常数（电荷比例积累）或磁导率常数（磁通量密度比例）的影响。

因此，DRAM的电容器和NAND的浮动栅能捕获到的漏极电流和电子的数量可通过调整上文提及的四个常数（电阻率、电导率、介电常数和磁导率）来确定。同时，应尽量减小外部电流对被捕获的或流动的电子的影响（通过计算数值并相应地改变结构或材料，可以防止电子流动和电子数量发生快速变化）。最终，通过调整掺杂量和改变层状材料的结构形式，调整上述四个常数至适当值，从而使半导体组合器件能够正常执行ON/OFF功能。

绝缘体有多种材料，如氧化材料、氮化材料、硅基材料（砷化镓半导体等）。其中具有代表性的是，通过在纯硅绝缘体中掺杂具有所需导电性的材料制成的半导体。掺杂后，掺杂量不变，“电阻率”值也不变（两者成反比）。简而言之，半导体可以解释为通过在绝缘硅中掺杂13族或15族杂质使电阻率值发生变化所形成的导体。没有一种半导体是半个导体。尽管长期以来将非黄金材料转化为黄金的炼金术均以失败告终，但随着掺杂半导体的诞生，20世纪的转型炼金术取得了成功。