半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體在集成電路、消費(fèi)電子、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、照明、大功率電源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域都有應(yīng)用，如二極管就是采用半導(dǎo)體制作的器件。無(wú)論從科技或是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來(lái)看，半導(dǎo)體的重要性都是非常巨大的。大部分的電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話或是數(shù)字錄音機(jī)當(dāng)中的核心單元都和半導(dǎo)體有著極為密切的關(guān)聯(lián)。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，硅是各種半導(dǎo)體材料應(yīng)用中最具有影響力的一種。

物質(zhì)存在的形式多種多樣，固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導(dǎo)電性差的材料，如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱(chēng)為絕緣體。而把導(dǎo)電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱(chēng)為導(dǎo)體?？梢院?jiǎn)單的把介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料稱(chēng)為半導(dǎo)體。與導(dǎo)體和絕緣體相比，半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)是最晚的，直到20世紀(jì)30年代，當(dāng)材料的提純技術(shù)改進(jìn)以后，半導(dǎo)體的存在才真正被學(xué)術(shù)界認(rèn)可。半導(dǎo)體是指在常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體是指一種導(dǎo)電性可控，范圍從絕緣體到導(dǎo)體之間的材料。從科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度 來(lái)看，半導(dǎo)體影響著人們的日常工作生活，直到20世紀(jì)30年代這一材料才被學(xué)界所認(rèn)可。

半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上可以追溯到很久以前。1833年，英國(guó)科學(xué)家電子學(xué)之父法拉第最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但法拉第發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。不久，1839年法國(guó)的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來(lái)人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特性。1873年，英國(guó)的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體的第三種特性。

在1874年，德國(guó)的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的;如果把電壓極性反過(guò)來(lái)，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第四種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。半導(dǎo)體的這四個(gè)特性，雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。2019年10月，一國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)稱(chēng)與傳統(tǒng)霍爾測(cè)量中僅獲得3個(gè)參數(shù)相比，新技術(shù)在每個(gè)測(cè)試光強(qiáng)度下最多可獲得7個(gè)參數(shù)：包括電子和空穴的遷移率;在光下的載荷子密度、重組壽命、電子、空穴和雙極性類(lèi)型的擴(kuò)散長(zhǎng)度。

(1)元素半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體是指單一元素構(gòu)成的半導(dǎo)體，其中對(duì)硅、硒的研究比較早。它是由相同元素組成的具有半導(dǎo)體特性的固體材料，容易受到微量雜質(zhì)和外界條件的影響而發(fā)生變化。目前， 只有硅、鍺性能好，運(yùn)用的比較廣，硒在電子照明和光電領(lǐng)域中應(yīng)用。硅在半導(dǎo)體工業(yè)中運(yùn)用的多，這主要受到二氧化硅的影響，能夠在器件制作上形成掩膜，能夠提高半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性，利于自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)。

(2)無(wú)機(jī)合成物半導(dǎo)體。無(wú)機(jī)合成物主要是通過(guò)單一元素構(gòu)成半導(dǎo)體材料，當(dāng)然也有多種元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，主要的半導(dǎo)體性質(zhì)有I族與V、VI、VII族;II族與IV、V、VI、VII族;III族與V、VI族;IV族與IV、VI族;V族與VI族;VI族與VI族的結(jié)合化合物，但受到元素的特性和制作方式的影響，不是所有的化合物都能夠符合半導(dǎo)體材料的要求。這一半導(dǎo)體主要運(yùn)用到高速器件中，InP制造的晶體管的速度比其他材料都高，主要運(yùn)用到光電集成電路、抗核輻射器件中。 對(duì)于導(dǎo)電率高的材料，主要用于LED等方面。

(3)有機(jī)合成物半導(dǎo)體。有機(jī)化合物是指含分子中含有碳鍵的化合物，把有機(jī)化合物和碳鍵垂直，疊加的方式能夠形成導(dǎo)帶，通過(guò)化學(xué)的添加，能夠讓其進(jìn)入到能帶，這樣可以發(fā)生電導(dǎo)率，從而形成有機(jī)化合物半導(dǎo)體。這一半導(dǎo)體和以往的半導(dǎo)體相比，具有成本低、溶解性好、材料輕加工容易的特點(diǎn)。可以通過(guò)控制分子的方式來(lái)控制導(dǎo)電性能，應(yīng)用的范圍比較廣，主要用于有機(jī)薄膜、有機(jī)照明等方面。

(4)非晶態(tài)半導(dǎo)體。它又被叫做無(wú)定形半導(dǎo)體或玻璃半導(dǎo)體，屬于半導(dǎo)電性的一類(lèi)材料。非晶半導(dǎo)體和其他非晶材料一樣，都是短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)。它主要是通過(guò)改變?cè)酉鄬?duì)位置，改變?cè)械闹芷谛耘帕?，形成非晶硅。晶態(tài)和非晶態(tài)主要區(qū)別于原子排列是否具有長(zhǎng)程序。非晶態(tài)半導(dǎo)體的性能控制難，隨著技術(shù)的發(fā)明，非晶態(tài)半導(dǎo)體開(kāi)始使用。這一制作工序簡(jiǎn)單，主要用于工程類(lèi)，在光吸收方面有很好的效果，主要運(yùn)用到太陽(yáng)能電池和液晶顯示屏中。

(5)本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。在極低溫度下，半導(dǎo)體的價(jià)帶是滿帶，受到熱激發(fā)后，價(jià)帶中的部分電子會(huì)越過(guò)禁帶進(jìn)入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶，價(jià)帶中缺少一個(gè)電子后形成一個(gè)帶正電的空位，稱(chēng)為空穴?？昭▽?dǎo)電并不是實(shí)際運(yùn)動(dòng)，而是一種等效。電子導(dǎo)電時(shí)等電量的空穴會(huì)沿其反方向運(yùn)動(dòng)。

它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而形成宏觀電流，分別稱(chēng)為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電。這種由于電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生而形成的混合型導(dǎo)電稱(chēng)為本征導(dǎo)電。導(dǎo)帶中的電子會(huì)落入空穴，電子-空穴對(duì)消失，稱(chēng)為復(fù)合。復(fù)合時(shí)釋放出的能量變成電磁輻射(發(fā)光)或晶格的熱振動(dòng)能量(發(fā)熱)。在一定溫度下，電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合同時(shí)存在并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)半導(dǎo)體具有一定的載流子密度，從而具有一定的電阻率。溫度升高時(shí)，將產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)，載流子密度增加，電阻率減小。無(wú)晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體的電阻率較大，實(shí)際應(yīng)用不多。