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半導體是一種特殊的材料，其導電性介於導體和絕緣體之間。在導體中，電子可以自由移動，因此具有良好的導電性。在絕緣體中，電子被緊緊束縛在原子周圍，幾乎不能移動。而半導體的特殊之處在於，它的導電性可以通過外界條件來控制，這使得半導體成為現代電子技術的基礎材料。矽是最常用的半導體材料，它有14個電子，其中最外層有4個電子。
為了改變純矽的導電性質，我們需要進行摻雜。摻雜是在純矽晶體中加入少量的雜質原子。當我們摻入磷原子時，由於磷有5個價電子，比矽多一個，這個多餘的電子會成為自由電子，形成N型半導體。當我們摻入硼原子時，由於硼只有3個價電子，比矽少一個，會在晶格中留下電洞，形成P型半導體。摻雜濃度的高低決定了半導體導電性的強弱。
當P型和N型半導體結合時，會形成PN接面。在接面處，P型區域的電洞和N型區域的電子會相互擴散和復合，形成一個沒有自由載流子的空乏區。這個區域會產生內建電場，阻止進一步的載流子移動。當施加正向偏壓時，外加電場會削弱內建電場，電流可以通過。當施加反向偏壓時，外加電場會增強內建電場，電流被阻擋。這種單向導電特性使得PN接面成為二極體的基礎。
電晶體是三端半導體器件，是現代電子電路的核心元件。主要有兩種類型：雙極性電晶體BJT和場效電晶體MOSFET。BJT由發射極、基極和集極組成，通過基極的小電流來控制發射極到集極的大電流，實現電流放大功能。MOSFET由源極、閘極和汲極組成，通過閘極電壓來控制源極到汲極之間的導電通道，實現電壓控制功能。電晶體可以工作在放大模式，將小信號放大成大信號，也可以工作在開關模式，實現導通和截止的數位功能。
半導體製程技術經歷了驚人的發展歷程。從1970年代的10微米製程開始，技術不斷進步，1980年代達到1微米，2000年進入100奈米時代，2015年實現10奈米製程。這個發展遵循著摩爾定律，即電晶體密度大約每18個月翻倍。光刻技術是製程的核心，通過光線將電路圖案投射到矽晶圓上，製作出微小的電路結構。隨著製程尺寸不斷縮小，我們面臨著越來越大的技術挑戰，包括物理極限和成本控制等問題。