淺談半導(dǎo)體材料的性能與應(yīng)用前景

胡鳳霞（遼寧冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧本溪 117021）

?

淺談半導(dǎo)體材料的性能與應(yīng)用前景

胡鳳霞
（遼寧冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院 遼寧本溪 117021）

摘 要：材料物理研究的特色方向之一是半導(dǎo)體物理。材料的物理性能大多與材料的原子結(jié)構(gòu)、原子排列和晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。材料的導(dǎo)電性能也與材料的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。本文重點(diǎn)介紹了材料物理中半導(dǎo)體材料的分類、性能及發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體材料 性能及分類 應(yīng)用前景

一、半導(dǎo)體材料的分類、結(jié)構(gòu)及性能

半導(dǎo)體（Semiconductor）是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類材料。半導(dǎo)體的應(yīng)用越來越廣，用于制作半導(dǎo)體的材料也越來越多，因而它的分類方法也很多：按照制造技術(shù)可以將半導(dǎo)體分為：集成電路器件、 分立器件 、光電半導(dǎo)體、 邏輯IC 、模擬IC和儲存器等；按化學(xué)成分可以分為：元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體；半導(dǎo)體還可以分為晶態(tài)半導(dǎo)體 、非晶態(tài)的玻璃半導(dǎo)體 和有機(jī)半導(dǎo)體等。其中晶態(tài)半導(dǎo)體又分為單晶和多晶半導(dǎo)體；另外在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)半導(dǎo)體材料中是否含有雜質(zhì)，還可以分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體的電子能量狀態(tài)和運(yùn)動狀態(tài)及規(guī)律決定了半導(dǎo)體的性質(zhì)容易受到外界溫度 、光照 、電場 、磁場和微量雜質(zhì)含量的作用而發(fā)生變化。因此，對于每種半導(dǎo)體，其能級結(jié)構(gòu)是不同的。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對某些微量雜質(zhì)極敏感。純度很高的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體，常溫下其電阻率很高，是電的不良導(dǎo)體。在高純半導(dǎo)體材料中摻入適當(dāng)雜質(zhì)后，由于雜質(zhì)原子提供導(dǎo)電載流子，使材料的電阻率大為降低，這種摻雜半導(dǎo)體常稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體?？侩娮訉?dǎo)電的雜質(zhì)半導(dǎo)體稱N型半導(dǎo)體，靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱P型半導(dǎo)體。不同類型半導(dǎo)體間接觸構(gòu)成PN結(jié)，因電子（或空穴）濃度差而產(chǎn)生擴(kuò)散，在接觸處形成位壘，因而這類接觸具有單向?qū)щ娦?。利用PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，可以制成具有不同功能的半?dǎo)體器件，如二極管、三極管、晶閘管等。此外，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對外界條件的變化非常敏感，據(jù)此可以制造各種敏感元件，用于信息轉(zhuǎn)換。［1］

二、半導(dǎo)體的導(dǎo)電物理特性應(yīng)用實(shí)例

1.整流器和穩(wěn)壓管

隨著擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行，在p區(qū)和n區(qū)的交界面p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)一層帶負(fù)電的粒子區(qū)；而在交界面n區(qū)一側(cè)出現(xiàn)一層帶正電的粒子區(qū)。這樣，在交界面的兩側(cè)就形成了一個空間電荷區(qū)。p型區(qū)一邊帶負(fù)電荷的離子，n型區(qū)一邊帶正電荷的離子，因而在結(jié)中形成了很強(qiáng)的局部電場，方向由n區(qū)指向p區(qū)。當(dāng)pn結(jié)上加正向電壓時， n區(qū)中的電子和p區(qū)中的空穴都容易通過，因而電流較大；當(dāng)外加電壓相反時，只有原n區(qū)中的少數(shù)電子和p區(qū)中的少數(shù)空穴能夠通過，因而電流很小。因此PN結(jié)具有整流作用。［2］

當(dāng)具有PN結(jié)的半導(dǎo)體受到光照時，其中電子和空穴的數(shù)目增多，在結(jié)的局部電場作用下，p區(qū)的電子移到n區(qū)，n區(qū)的空穴移到p區(qū)，這樣在結(jié)的兩端就有電荷積累，形成電勢差。這現(xiàn)象稱為pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)?；谶@些特性，用PN結(jié)可制成半導(dǎo)體二極管和光電池等器件。如果在PN結(jié)上加以反向電壓，電壓在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)幾乎不通過電流，但當(dāng)加在PN結(jié)上的反向電壓越過某一數(shù)值時，發(fā)生電流突然增大的現(xiàn)象。這時PN結(jié)被擊穿。PN結(jié)被擊穿后便失去其單向?qū)щ姷男阅?，但結(jié)并不一定損壞，此時將反向電壓降低，它的性能還可以恢復(fù)。由于PN結(jié)具有這種特性，一方面可以用它制造半導(dǎo)體二極管，使之工作在一定電壓范圍之內(nèi)作整流器等；另方面因擊穿后并不損壞而可用來制造穩(wěn)壓管或開關(guān)管等器件。

2.激光二極管

屬于半導(dǎo)體二極管，按照PN結(jié)材料的不同，可以把激光二極管分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)、雙異質(zhì)結(jié)和量子阱激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優(yōu)點(diǎn)，是目前市場應(yīng)用的主流產(chǎn)品。同激光器相比，激光二極管具有效率高、體積小、壽命長的優(yōu)點(diǎn)，但其輸出功率?。ㄒ话阈∮?mW），線性差、單色性不太好，使其在有線電視系統(tǒng)中的應(yīng)用受到很大限制，不能傳輸多頻道，高性能模擬信號。在雙向光接收機(jī)的回傳模塊中，上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。 產(chǎn)生激光的三個條件是：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件。產(chǎn)生光的受激發(fā)射的首要條件是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在半導(dǎo)體中就是要把價帶內(nèi)的電子抽運(yùn)到導(dǎo)帶。

三、半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

半導(dǎo)體材料支撐著通信、計算機(jī)、信息家電與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。電子信息材料的總體發(fā)展趨勢是向著大尺寸、高均勻性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向發(fā)展。當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和技術(shù)前沿包括柔性晶體管、光子晶體、SiC、GaN、ZnSe等寬禁帶半導(dǎo)體材料為代表的第三代半導(dǎo)體材料、有機(jī)顯示材料以及各種納米電子材料等。

隨著電子學(xué)向光電子學(xué)、光子學(xué)邁進(jìn)，微電子材料在未來5～10年仍是最基本的信息材料。電子、光電子功能單晶將向著大尺寸、高均勻性、晶格高完整性以及元器件向薄膜化、多功能化、片式化、超高集成度和低能耗方向發(fā)展。半導(dǎo)體微電子材料由單片集成向系統(tǒng)集成發(fā)展。微電子技術(shù)發(fā)展的主要途徑是通過不斷縮小器件的特征尺寸，增加芯片面積以提高集成度和信息處理速度，由單片集成向系統(tǒng)集成發(fā)展。

四、中國半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景

據(jù)中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的2016-2020年中國半導(dǎo)體材料行業(yè)現(xiàn)狀研究分析及發(fā)展趨勢預(yù)測報告顯示，在全球半導(dǎo)體總營收成長5%的狀況下，2013年全球半導(dǎo)體材料市場總營收為435億美元。臺灣已連續(xù)第四年成為半導(dǎo)體材料最大消費(fèi)地區(qū)，但2013年臺灣與北美市場持平。受惠于晶圓廠材料的成長實(shí)力，中國和歐洲的材料市場在2013年增長4%。［3］

近幾年，由于市場需求的不斷擴(kuò)大、投資環(huán)境的日益改善、優(yōu)惠政策的吸引及全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)向中國轉(zhuǎn)移等原因，我國集成電路產(chǎn)業(yè)每年都保持30%的增長率。集成電路制造過程中需要的主要關(guān)鍵原材料有幾十種，材料的質(zhì)量和供應(yīng)直接影響著集成電路的質(zhì)量和競爭力，因此支撐關(guān)鍵材料業(yè)是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的一環(huán)。隨著信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，特別是光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，進(jìn)一步刺激了多晶硅、單晶硅等基礎(chǔ)材料需求量的不斷增長。目前，世界半導(dǎo)體行業(yè)巨頭紛紛到國內(nèi)投資，整個半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展，這也要求材料業(yè)要跟上半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的步伐?？梢哉f，市場發(fā)展為半導(dǎo)體支撐材料業(yè)帶來前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)：

［1］電工電子技術(shù) 趙歆 2013.4 北京郵電大學(xué)出版社

［2］材料物理論文 2013-12-17 半導(dǎo)體物理的研究發(fā)展與應(yīng)用前景

［3］中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)2016-2020年中國半導(dǎo)體材料行業(yè)現(xiàn)狀 研究分析及發(fā)展趨勢預(yù)測報告