半導(dǎo)體材料的性能分析及其應(yīng)用

閔俊杰

摘 要 材料的進步對社會的變革是巨大的，歷史上任何一種新的材料發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用都會極大地促進社會的發(fā)展。半導(dǎo)體是重要的電子材料，在電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。文章系統(tǒng)地分析了半導(dǎo)體材料的性能，對半導(dǎo)體材料在社會生活中的應(yīng)用做了闡述。

關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體材料；性能；應(yīng)用

中圖分類號 [TM23] 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）229-0199-02

當(dāng)今社會發(fā)展的三大推動力是能源、材料和信息。其中以半導(dǎo)體為代表的電子材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用都是時代關(guān)注的重點。半導(dǎo)體材料在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用極大地提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。同時促進了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科技、教育、衛(wèi)生以及生物工程、航空航天等各個領(lǐng)域的全面發(fā)展。極大的提高了國家的科技水平和經(jīng)濟實力，正是因為半導(dǎo)體材料在生產(chǎn)實踐中發(fā)揮了巨大的作用，所以我們更應(yīng)該對于半導(dǎo)體材料的性能和應(yīng)用有清晰的認(rèn)識，以保障在未來的科技進步和社會發(fā)展中能夠更好地發(fā)揮半導(dǎo)體材料的作用。

1 半導(dǎo)體的分類

自然界的物質(zhì)和材料千千萬萬，如果按導(dǎo)電能力劃分，可以將所有的物質(zhì)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體三種。其中半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，其電阻率在1mΩ/cm～1GΩ/cm之間。半導(dǎo)體可以用來做半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。依據(jù)半導(dǎo)體材料的化學(xué)成分，可以將半導(dǎo)體分為元素半導(dǎo)體、無機化合物半導(dǎo)體、有機化合物半導(dǎo)體和非晶態(tài)半導(dǎo)體[ 1 ]。

2 半導(dǎo)體材料的性能

2.1 元素半導(dǎo)體

元素半導(dǎo)體是指半導(dǎo)體材料由單一化學(xué)元素構(gòu)成，在元素周期表有12種具有半導(dǎo)體性質(zhì)的元素。中S、P、As、Sb和I元素都不太穩(wěn)定，容易發(fā)揮；灰Sn在室溫下會轉(zhuǎn)變?yōu)榘譙n，白Sn已經(jīng)屬于金屬；B、C元素的熔點太高，制成單晶的過程十分困難；Te元素十分稀缺，無法大量用于半導(dǎo)體器件的制作。這樣只剩下Se、Ge和Si三種元素適用于半導(dǎo)體材料應(yīng)用。Se曾主要被用于制作電池和整流器，后被淘汰，現(xiàn)在Se在非晶半導(dǎo)體器件領(lǐng)域還有使用；Ge曾在晶體管發(fā)明出來后迅速興起，后來被性能更好的Si所替代，現(xiàn)在Ge只在低壓、低頻、中功率晶體管和光電探測器等分立元件中還有使用；而Si一直作為半導(dǎo)體的主要材料。這是由3方面因素共同導(dǎo)致的：一是地殼中Si含量27%，存儲量極其豐富，而且元素的提煉和結(jié)晶也十分方便，有大規(guī)模應(yīng)用的條件；二是Si的禁帶寬度是1.12eV，相對于其他半導(dǎo)體材料更加能適應(yīng)高溫工作；三是由于SiO2膜具有純化和掩蔽作用，純化作用可以大大提高半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和可靠性，掩蔽作用推動了半導(dǎo)體器件制作實現(xiàn)了平面工藝，為大規(guī)模自動化的工業(yè)生產(chǎn)和集成化創(chuàng)造了條件[2]。

2.2 無機合成物半導(dǎo)體

除了由單一元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，還有多種元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，這就是化合物半導(dǎo)體，具有半導(dǎo)體性質(zhì)的主要有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，但是由于全球儲存量、元素特性和制作難度等因素的影響，并不是每一種化合物都能作為于半導(dǎo)體材料，使用比較多的是GaAs和InP。GaAs的禁帶寬度為1.43eV，擁有比Si更高的適應(yīng)溫度，電子遷移率是Si的6倍，因此常被用來制作高速器件。InP的許多性能甚至比GaAs更好，它的電子遷移率更高，更耐輻射，導(dǎo)熱性好，可以應(yīng)用在光化學(xué)蝕刻上，頻率高，擊穿場強高，用InP制造的晶體管的速度比其他材料都高，是目前用來制造結(jié)型場效應(yīng)晶體管、高頻器件、抗核輻射器件以及光電集成電路的最佳基礎(chǔ)材料。此外還有的熱導(dǎo)率高，禁帶寬度寬的碳化硅，它在紫外光探測器和熒光LED等方面廣泛應(yīng)用。

2.3 有機合成物半導(dǎo)體

有機化合物是指含分子中含有碳鍵的化合物，在一些有機化合物中與碳鍵垂直的方向上，會存在л電子云重疊而成的導(dǎo)帶，通過化學(xué)或電化學(xué)摻雜，載流子能容易地進入能帶，使電導(dǎo)率發(fā)生巨大變化，從而形成有機化合物半導(dǎo)體。有機物化學(xué)半導(dǎo)體相比于無機化合物半導(dǎo)體有明顯的優(yōu)勢，有機化合物不但價格低廉，更容易溶解，材料重量更輕，加工過程更容易。更重要的是，能夠通過控制分子來控制導(dǎo)電性能，這使得有機化合物半導(dǎo)體具有更廣泛的用途。目前對于有機化合物半導(dǎo)體的研究主要集中在材料和器件上，如有機薄膜、有機太陽能、有機照明等[3]。

2.4 非晶態(tài)半導(dǎo)體

非晶態(tài)物質(zhì)的主要特性就是長程無序短程有序。相同的材料，晶態(tài)和非晶態(tài)時的性能會有很大的變化，所以非晶態(tài)半導(dǎo)體相對比較難以控制。直到α-Si膜可控?fù)诫s技術(shù)發(fā)明和硫系非晶半導(dǎo)體開關(guān)及貯存特性的發(fā)現(xiàn)，才使得非晶態(tài)半導(dǎo)體真正開始走向?qū)嵱没，F(xiàn)在的非晶態(tài)半導(dǎo)體制作工藝簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)在任意襯底上成膜，更容易實現(xiàn)大面積工程使用，對于光的吸收系數(shù)也比其他材料更大，目前主要應(yīng)用于太陽能電池、大面積液晶顯示屏等？領(lǐng)域。

3 以應(yīng)用領(lǐng)域為視角的半導(dǎo)體應(yīng)用

3.1 半導(dǎo)體材料的光伏應(yīng)用

半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)是太陽能電池運行的基本原理?，F(xiàn)階段半導(dǎo)體材料的光伏應(yīng)用已經(jīng)成為一大熱門，是目前世界上增長最快、發(fā)展最好的清潔能源市場。太陽能電池的主要制作材料是半導(dǎo)體材料，判斷太陽能電池的優(yōu)劣主要的標(biāo)準(zhǔn)是光電轉(zhuǎn)化率，光電轉(zhuǎn)化率越高，說明太陽能電池的工作效率越高。根據(jù)應(yīng)用的半導(dǎo)體材料的不同，太陽能電池分為晶體硅太陽能電池、薄膜電池以及Ⅲ-Ⅴ族化合物電池。

3.1.1 晶體硅太陽能電池

晶體硅太陽能電池主要用到的半導(dǎo)體材料是晶體硅，它是目前世界上半導(dǎo)體材料光伏中最成熟的主導(dǎo)產(chǎn)品。其中單晶硅電池的最高轉(zhuǎn)化效率為FZSi單晶電池創(chuàng)造的24%，商品單晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率一般為14%～17%。多晶硅電池中的最優(yōu)秀者是轉(zhuǎn)化效率達到19.8%的MC-Si電池，商品MC-Si電池的轉(zhuǎn)化效率一般在12%～14%，這種太陽能電池占據(jù)了晶體硅一半以上的市場份額。帶狀Si電池相對出現(xiàn)的比較晚，它在制作過程中不需要經(jīng)過切片過程，因此提高了材料的利用效率，目前最高的轉(zhuǎn)換效率是蹼狀法帶狀Si電池制造的17.3%。

3.1.2 薄膜電池

薄膜電池相比于晶體硅更能降低生產(chǎn)成本，其中非晶硅（a-Si）電池是最早實現(xiàn)商品化的薄膜電池，目前最好的轉(zhuǎn)化率為13%。多晶和微晶硅電池的有源區(qū)比較薄，可以保證在材料質(zhì)量下降的同時維持器件性能不變，其中最高的轉(zhuǎn)化效率是23.7%。

3.1.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物電池

Ⅲ-Ⅴ化合物電池的抗輻射性能好，轉(zhuǎn)化效率高。這種太陽能電池主要用到GaAs材料，這是最理想的半導(dǎo)體光伏材料，目前在單晶襯底上生長的單結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)化效率已超過25%。是轉(zhuǎn)化率最高的太陽能電池。

3.2 半導(dǎo)體材料的照明應(yīng)用

LED是建立在半導(dǎo)體晶體管上的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，采用LED技術(shù)的半導(dǎo)體光源體積小，可以實現(xiàn)平面封裝，工作時發(fā)熱量低、節(jié)能高效，產(chǎn)品壽命長、反應(yīng)速度快，而且綠色環(huán)保無污染，還能開發(fā)成輕薄短小的產(chǎn)品，一經(jīng)問世，就迅速普及，成為新一代的優(yōu)質(zhì)照明光源，目前已經(jīng)廣泛的運用在我們的生活中。如交通指示燈、電子產(chǎn)品的背光源、城市夜景美化光源、室內(nèi)照明等各個領(lǐng)域，都有？應(yīng)用。

3.3 在大功率電源轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

交流電和直流電的相互轉(zhuǎn)換對于電器的使用十分重要，是對電器的必要保護。這就要用到等電源轉(zhuǎn)換裝置。碳化硅擊穿電壓強度高，禁帶寬度寬，熱導(dǎo)性高，因此SiC半導(dǎo)體器件十分適合應(yīng)用在功率密度和開關(guān)頻率高的場合，電源裝換裝置就是其中之一。碳化硅元件在高溫、高壓、高頻的又一表現(xiàn)使得現(xiàn)在被廣泛使用到深井鉆探，發(fā)電裝置中國的逆變器，電氣混動汽車的能量轉(zhuǎn)化器，輕軌列車牽引動力轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。由于SiC本身的優(yōu)勢以及現(xiàn)階段行業(yè)對于輕量化、高轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體材料需要，SiC將會取代Si，成為應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料。

4 結(jié)論

半導(dǎo)體領(lǐng)域是一個廣泛的知識技術(shù)領(lǐng)域，本文只能簡單的對半導(dǎo)體材料的分類、性能和應(yīng)用進行簡單闡述，實際上的半導(dǎo)體類型劃分更加細(xì)致，應(yīng)用更加復(fù)雜，同時存在著材料上的優(yōu)勝劣汰，產(chǎn)品上的更新?lián)Q代，將來隨著半導(dǎo)體材料的技術(shù)突破，更多優(yōu)質(zhì)廉價的半導(dǎo)體材料應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，人類社會又將迎來一場技術(shù)變革。

參考文獻

[1]陳彩云，徐東.半導(dǎo)體材料的應(yīng)用研究進展[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（9）：219.

[2]周高還.有機半導(dǎo)體材料性能研究與應(yīng)用前景[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2015，44（11）：25-27，31.

[3]戴英杰.半導(dǎo)體材料在傳感器中的應(yīng)用[J].吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2007（9）：63-64.