semiconductor是什么意思？用法、例句，中学生科普文系列：1. 什么是半导体？What Is a Semiconductor？

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新增一个科普文系列，原因是该给家里初中生好好做点科普了，慢慢分享一些。我一向认为英语是个工具，应该经常使用。在整理科普文时，加入了英文，让孩子学习英语更有乐趣些。

从手机到火箭，半导体无处不在。但它们到底是什么，又是什么让它们如此特别？Semiconductorsareineverythingfromyourcellphonetorockets.Butwhatexactlyarethey,andwhatmakesthemsospecial?

先来一个小实验帮助我们理解。我们有一个断开的带有电池和灯泡的电路，如图1所示：Ihaveacircuitwithabattery,alightbulb,andgap,asshowninFigure1:

图1不同材料连接的闭合电路示意图

硅在室温下是绝缘的，而在高温下是导电的。所以它是半导体，它的导电性取决于环境的变化。这种特殊的能力使半导体成为电子设备的完美“大脑”。小型半导体开关电路，称为晶体管，是计算机芯片的核心，使计算机能够进行数学运算和运行程序。Thesiliconisinsulatingatroomtemperature,butconductselectricitywhenit'sveryhot.It'sasemiconductor,whoseconductivitychangesbasedontheenvironment.Thisspecialabilitymakessemiconductorstheperfectbrainsforelectronicdevices.Circuitsofsmallsemiconductorswitches,calledtransistors,aretheheartofcomputerchips,andenablethemtodomathandrunprograms.

半导体使电子产品变得更小、更快、更可靠。但是，到底是什么使得半导体既能导电又能绝缘呢？在单个原子中，电子可以占据特定的能级。当多个原子键合时，它们之间共用电子。而由于原子之间正在相互作用，使得能级发生偏移。在一个固体中，数万亿个原子彼此相互作用，因此它们各自的能级会拖入能带。为了使材料导电，电子必须能够从低能态跃迁到高能态。这些能级的间距以及它们如何被电子填充决定了该材料是导体，绝缘体还是半导体（图2）。Semiconductorshaveenabledelectronicstobecomesmaller,faster,andmorereliable.Butwhatisitexactlyaboutsemiconductorsthatallowthemtoeitherconductorinsulate?Inasingleatom,electronscanoccupyspecificenergylevels.Whenmultipleatomsbond,theelectronsaresharedbetweenthem.Butbecausetheatomsarenowinteracting,theenergylevelsshiftaround.Inasolid,trillionsandtrillionsofatomsinteractwitheachother.Theirindividualenergylevelssmearintoenergybands.Foramaterialtoconduct,theelectronsmustbeabletojumpfromlowerenergystatestohigherones.Thespacingoftheseenergylevelsandhowthey'refilledwithelectronsdeterminesifthematerialisaconductor,insulator,orsemiconductor.

图2.1半导体工作原理Howsemiconductorworks?

图2.2半导体工作原理Howsemiconductorworks?

如果较低能级和较高能级之间有巨大的差距，则电子很难跃迁到更高能级，所以没有电子流动，因此没有电流产生(因为电流是电子的移动)。这就是绝缘体，如玻璃。Ifthere'sahugegapbetweenthelowerenergylevelsandthehigherones,it'shardforelectronstojumptothehigherones,soacurrentcan'tflow(electricityisthemovementofelectrons),andit'saninsulatorlikethisglass.

而金属完全没有能级间隙。电子可以轻松地移动到更高的能级，从而产生电流。Metalshavenogapatall.Electronscanmovetothehigherenergylevelswithnoproblem.Currentcanflow.

半导体处于中间位置。它们的能级间隙（带隙）中等。因此，从技术上讲，对于绝缘体，如果我通过加热等方式增加足够的能量将电子推到更高能级，则可以使这种绝缘体如玻璃导电。但是这些热量会使玻璃在发生传导之前就融化或碎裂了。大多数绝缘体都是如此，问题在于能使它们导电所需的能量太高了。但是在半导体中，带隙中等，以至于电子可以跳入更高能带，从而产生电流。我们施加的热量决定了多少电子跃迁入更高能带，以及产生多少电流。Semiconductorsfallsomewhereinthemiddle.Theyhaveamedium-sizedbandgap.Sotechnically,IcouldmakethisglassconductelectricityifIaddedenoughenergythroughheattopushtheelectronsintoahigherband.Butthatamountofheatwouldeithermeltorbreaktheglassbeforeitactuallyconducts.Thisistrueofmostinsulators.Theamountofenergyneededtomakethemconductisjusttoohigh.Butinasemiconductor,thebandgapissmallenoughthatelectronscanjumpintothehigherenergybandsothatcurrentcanflow.Theamountofheatweapplydetermineshowmanyelectronsjumpintothehigherband,andhowmuchcurrentflows.

热量并不是改变半导体连通性的唯一方式。我们也可以利用光、电流，以及计算机中的电场。计算机由半导体构成，这是所谓的晶体管，它们在导电和绝缘之间切换。计算机之所以使用电场，是因为加热速度慢，而且会消耗太多能量。我们可以通过使用光刻技术在晶片上印刷晶体管电路，将该晶片转变成一个计算机芯片(图3)。Andheatisn'ttheonlywaytochangetheconnectivityinasemiconductor.Wecanalsouselight,electriccurrents,andinacomputer,electricfields.AsI'vesaid,computersaremadeupofsemiconductors,whichiscalledtransistors,thatswitchbetweenconductingandinsulating.Computersuseelectricfieldsbecauseheatisslowandwouldburntoomuchenergy.Wecanturnthiswaferintoacomputerchipbyprintingacircuitoftransistorsonit,usingaprocesscalledphotolithography.

图3光刻技术打印晶体管Printthetransistorsusingphotolithography

我们首先用光敏材料覆盖晶片，然后将其暴露在光线下,同时在光与晶片之间加入有图案的模板。光照射以后，我们得到的晶片像摄影中的胶片一样，留下一个图案（来自模板），形成电路。Here,inthephotoroom,wecoverthewaferwithalightsensitivematerialandexposeittolightthatweshinethroughapatternedmask.Then,wedevelopthewafer,likefilminphotography,whichleavesbehindapatternthatbecomesthecircuit.

一次性打印晶体管可以制造出比用单个部件制造的电路更小、更便宜的电路。晶体管由逻辑元件、存储器组件和通信模块组成，使计算机可以相互通信。借助半导体，你几乎可以在任何你能想到的设备上廉价地添加晶体管，从宇宙飞船到服务器，甚至你的烤面包机。半导体使技术革命、互联网、计算机和手机成为可能。Printingthetransistorsatonceletsyoumakecircuitsthataresmallerandcheaperthanifyoubuiltthemfromindividualparts.Transistorsmakeupthelogicelements,thememorycomponents,andthecommunicationmodulesthatletcomputerstalktoeachother.Withsemiconductors,youcancheaplyaddtransistorstoalmostanydeviceyoucanthinkof,fromspaceships,toserves,tomaybeevenyourtoaster.Semiconductorshaveenabledthetechnologicalrevolution,theinternet,thecomputer,andthecellphone.

关于semiconductor是什么意思？用法、例句，中学生科普文系列：1. 什么是半导体？What Is a Semiconductor?的介绍到此结束，希望对大家有所帮助。