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什么是半导体？

物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等。人们通常把导电性差的材料，如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体；而把导电性比较好的金属，如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。半导体就是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料；其是指一种导电性可控，范围从绝缘体到导体之间的材料。

半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。

• 元素半导体

在元素周期表的ⅢA族至IVA族分布着11种具有半导性的元素，其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态；B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。P的熔点与沸点太低，Ⅰ的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。B、C、Te也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。因此这11种元素半导体中只有Ge、Si、Se这3种元素已得到利用。Ge、Si仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。

• 无机化合物半导体

二元系：

①Ⅳ-Ⅳ族：SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。

②Ⅲ-Ⅴ族：由周期表中Ⅲ族元素Al、Ga、In和V族元素P、As、Sb组成，典型的代表为GaAs。它们都具有闪锌矿结构，它们在应用方面仅次于Ge、Si。

③Ⅱ-Ⅵ族：Ⅱ族元素Zn、Cd、Hg和Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物，是一些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。

④Ⅰ-Ⅶ族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和 Ⅶ族元素Cl、Br、I形成的化合物，其中CuBr、CuI具有闪锌矿结构。

⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、Bi和Ⅵ族元素 S、Se、Te形成的化合物具有的形式，如Bi2Te3、Bi2Se3、Bi2S3、As2Te3等是重要的温差电材料。

⑥第四周期中的B族和过渡族元素Cu、 Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni的氧化物，为主要的热敏电阻材料。

⑦某些稀土族元素 Sc、Y、Sm、Eu、Yb、Tm与Ⅴ族元素N、As或Ⅵ族元素S、Se、Te形成的化合物。

除这些二元系化合物外还有它们与元素或它们之间的固溶体半导体，例如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究这些固溶体可以在改善单一材料的某些性能或开辟新的应用范围方面起很大作用。

三元系：

①族：这是由一个Ⅱ族和一个Ⅳ族原子去替代Ⅲ-Ⅴ族中两个Ⅲ族原子所构成的。如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等。

②族：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅲ族原子去替代Ⅱ-Ⅵ族中两个Ⅱ族原子所构成的，如 CuGaSe2、AgInTe2、AgTlTe2、CuInSe2、CuAlS2等。

③族：这是由一个Ⅰ族和一个Ⅴ族原子去替代族中两个Ⅲ族原子所组成，如Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4等。

此外，还有它的结构基本为闪锌矿的四元系(例如Cu2FeSnS4)和更复杂的无机化合物。

• 有机化合物半导体

已知的有机半导体有几十种，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，它们作为半导体尚未得到应用。

• 非晶态与液态半导体

这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。

常见半导体材料

• 硅(Si)-“半导体之王”

作为半导体行业“黄金标准”，纯度要求达到99.999999999%(11N)。从CPU到GPU，几乎所有集成电路都依赖硅材料的优异性能。储量尤其丰富(地壳含量约26%)，成本低廉，易提纯加工；热稳定性好，机械强度高，易氧化形成稳定的二氧化硅(SiO₂)绝缘层，适配CMOS工艺；禁带宽度1.12eV(间接带隙)，导电性易通过掺杂精准调控；缺点是电子迁移率一般，高频、高温性能有限，发光效率低。

应用领域：

a.集成电路(芯片)：CPU、存储芯片、逻辑芯片、模拟芯片等，90%以上芯片以硅为基底；

b.光伏领域：晶硅太阳能电池(占光伏市场95%以上)；

c.传感器：温度传感器、压力传感器、图像传感器(CMOS)；

d.分立器件：二极管、三极管、功率MOSFET等。

• 碳化硅(SiC)-高压高温“全能王”

耐压能力可达硅材料10倍，工作温度超过600℃。在新能源汽车和光伏逆变器等高温、高压应用场景中，SiC器件正逐步取代传统硅基器件。禁带宽度3.3eV，击穿电场是硅的3倍，耐压可达10kV以上；热导率是硅的3倍，耐高温(工作温度可达600℃)，散热性能尤佳；电子饱和速度高，开关速度快，功耗比硅基器件降低50%以上；抗辐射、耐腐蚀，稳定性强；缺点是制备成本高、晶圆尺寸小、工艺难度大。

应用领域：

a.新能源汽车：车载充电桩(快充核心)、电机控制器、OBC 车载充电机(特斯拉、比亚迪等已批量应用)；

b.能源电网：高压输电、智能电网、光伏逆变器、储能变流器；

c.工业电源：高频开关电源、工业电机驱动、UPS 不间断电源；

d.航空航天：高温功率器件、航空电源、雷达发射机。

• 氮化镓(GaN)-高频低损“黑马”

凭借高电子迁移率和出色热导率，GaN材料在5G通信基站和半导体照明领域表现突出，其高频特性使其成为射频功率器件的理想选择。其禁带宽度3.4eV，击穿电场高，高频性能碾压硅基(适配1GHz-10GHz频段)；电子迁移率高，开关速度尤快，损耗尤低，适合中高压、高频场景；直接带隙，发光效率尤高，覆盖蓝光、紫光波段；耐高温(200℃以上稳定工作)、抗辐射；缺点是大尺寸晶圆制备难、缺陷密度高、成本高于硅。

应用领域：

a.光电子：蓝光LED、白光LED(照明、显示背光)、激光二极管、紫外探测器；

b.5G通信：5G基站射频功放、毫米波雷达、卫星通信器件；

c.快充领域：手机/笔记本氮化镓快充充电器(体积小、效率高)；

d.新能源：光伏微逆变器、储能电源、新能源汽车辅助电源。

• 砷化镓(GaAs)-高频光电子“主力”

优异光电特性使其在微波通信和卫星通信系统中不可或缺，同时也是制造高性能激光器和探测器的关键材料。其电子迁移率是硅的5-6倍，高频性能极强，适配微波、毫米波频段；直接带隙(禁带宽度1.42eV)，发光效率高，可直接制备发光器件；耐高温、抗辐射、击穿电压高，稳定性好；缺点是成本高、脆性大、导热性一般，难以制备大尺寸晶圆。

应用领域：

a.射频通信：5G/4G 基站射频功放、手机射频芯片、卫星通信器件、雷达；

b.光电子：红外 LED、激光二极管(光纤通信光源)、光电探测器；

c.光伏：高效砷化镓太阳能电池(航天、卫星专用)；

d.高速电子：高速晶体管、超高速集成电路。

• 氧化镓(Ga₂O₃)-超高压“新贵”

作为新兴超宽禁带材料，理论击穿电场尤高，在高压功率器件领域展现出巨大应用前景，有望突破现有材料性能极限。其禁带宽度4.9eV(超宽禁带)，击穿电场是碳化硅的2倍，耐压可达20kV以上；成本低于碳化硅、金刚石，原料丰富，易制备大尺寸晶圆；耐高温、抗辐射、化学稳定性好；缺点是导热性一般、P型掺杂难、工艺不成熟。

应用领域：

a.超高压电力电子：特高压输电、电网储能、高压变频器；

b.新能源汽车：800V高压平台快充、高压电机控制器；

c.紫外光电子：深紫外LED、紫外探测器、气体传感器；

d.航空航天：极端环境功率器件、太空探测传感器。

• 锗(Ge)-半导体“元老”

虽非主流半导体材料，但在特定光电应用和高速电子器件中仍保持独特优势，特别是在红外光学器件领域。其电子迁移率远高于硅，高频性能优异；禁带宽度0.67eV，易激发载流子，低温性能好；缺点是储量少、成本高，热稳定性差，易氧化，难以制备大面积绝缘层。

应用领域：

a.早期晶体管、集成电路(已逐步被硅替代)；

b.红外光学：红外探测器、红外透镜、夜视仪(锗对红外光透过率高)；

c.高频器件：高频晶体管、射频二极管；

d.特种半导体：与硅结合形成硅锗(SiGe)合金，用于5G射频芯片、高速处理器。

• 磷化铟(InP)-超高频通信“尖兵”

在光通信和高速电子器件领域占据重要地位，特别适合制造高性能激光器和探测器，是光纤通信系统核心材料之一。其电子迁移率比砷化镓更高，超高频性能优异(适配100GHz 以上频段)；直接带隙(1.35eV)，发光波长适配光纤通信低损耗窗口(1.3-1.55μm)；耐高温、抗辐射，适合极端环境工作；缺点是价格昂贵、原料稀缺、加工难度大。

应用领域：

a.高速光通信：100G/400G光模块、高速激光二极管、光电探测器；

b.超高频器件：太赫兹器件、毫米波雷达、卫星通信核心芯片；

c.特种光伏：航天级高效太阳能电池、光电传感器。

在半导体制造中，为什么硅(Si)比锗(Ge)、碳(C)更适合作为半导体材料？

现代电子设备由半导体材料制成的电阻器、二极管、晶体管、集成电路构成。如今，硅是电力电子元件中使用较多的半导体(二极管、晶闸管、IGBT、MOSFET晶体管)，那为什么没有锗来替代呢？

• 在室温下，硅晶体比锗晶体的自由电子少，意味着硅比锗具有小得多的集电极截止电流(基极开路时的集电极与发射极之间的漏流，称为穿透电流)；

• 与锗相比，硅集电极截止电流随温度的变化较小；

• 锗晶体的结构更容易受高温影响而破坏，硅晶体不易被过热损坏(硅的最高工作结温为150℃，而锗仅为约60℃)；

• 硅二极管的峰值反向电压额定值(PIV)大于锗二极管；

• 硅元素更丰富，成本也更低；

• 硅表面很容易生成一层SiO2(一种非常好的绝缘体)，且技术上很容易加工，对于形成晶体管栅极非常有用(位于栅极和沟道之间)。此外，它可以充当掩蔽层，防止掺杂剂在保护的区域中扩散。相比之下，锗在其表面形成这种氧化层并不那么容易。

那么与硅相比，为什么碳不是常用的半导体材料？

简单来讲，碳的带隙太高，无法在室温下导电，需要加热(约300℃)。

带隙是支配半导体强度的固有属性(带隙是半导体元素中价带和导带之间的能量范围。也就是将电子从共价键中释放并因此传导电荷所需的能量激发量)，带隙为0.6eV-3.4eV的材料称为半导体，硅的带隙约为1.12eV，碳在室温下的带隙约为5.5eV，这意味着需要更多能量以使其始终运行。

换句话说，碳确实表现出半导体特性，但需要大量的能量才能工作。因此，碳并没有真正用作半导体器件。

元素碳以不同的形式存在，每一种都有自己的物理特性，非导体或半导体取决于碳的形态，碳的同素异形体包括：

• 金刚石

理想金刚石是绝缘体，进行掺杂可以成为半导体(禁带较宽，所以其导电性改变的空间有限)。

• 石墨

良好的导电体。

• 石墨烯

纯石墨烯是一种半金属或零能隙半导体。

• 无定形碳

绝缘体。具有高导热性。

• C60

绝缘体。具有良好的导电和导热性。

• LAC

磁性半导体。

总而言之，碳的电导率取决于存在的状态。在室温下，无定形状态导电，结晶状态不导电。在非常高的温度下，由于提供高能量，所有碳都会随着束缚电子的释放而导电。综上所述，硅在成本和制造工艺上的优势，在半导体上用途最为广泛。

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