閔俊杰

摘 要 材料的進(jìn)步對(duì)社會(huì)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(huì)極大地促進(jìn)社會(huì)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(duì)半導(dǎo)體材料在社會(huì)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(lèi)號(hào) [TM23] 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）229-0199-02

當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的三大推動(dòng)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(shí)代關(guān)注的重點(diǎn)。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(shí)促進(jìn)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(gè)領(lǐng)域的全面發(fā)展。極大的提高了國(guó)家的科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，正是因?yàn)榘雽?dǎo)體材料在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮了巨大的作用，所以我們更應(yīng)該對(duì)于半導(dǎo)體材料的性能和應(yīng)用有清晰的認(rèn)識(shí)，以保障在未來(lái)的科技進(jìn)步和社會(huì)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(lèi)

自然界的物質(zhì)和材料千千萬(wàn)萬(wàn)，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(lái)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(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體、有機(jī)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(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘譙n，白Sn已經(jīng)屬于金屬；B、C元素的熔點(diǎn)太高，制成單晶的過(guò)程十分困難；Te元素十分稀缺，無(wú)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(lái)后迅速興起，后來(lái)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(cè)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(chǔ)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(duì)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(dòng)了半導(dǎo)體器件制作實(shí)現(xiàn)了平面工藝，為大規(guī)模自動(dòng)化的工業(yè)生產(chǎn)和集成化創(chuàng)造了條件[2]。

2.2 無(wú)機(jī)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(chǔ)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(lái)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(chǎng)強(qiáng)高，用InP制造的晶體管的速度比其他材料都高，是目前用來(lái)制造結(jié)型場(chǎng)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(cè)器和熒光LED等方面廣泛應(yīng)用。

2.3 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，在一些有機(jī)化合物中與碳鍵垂直的方向上，會(huì)存在л電子云重疊而成的導(dǎo)帶，通過(guò)化學(xué)或電化學(xué)摻雜，載流子能容易地進(jìn)入能帶，使電導(dǎo)率發(fā)生巨大變化，從而形成有機(jī)化合物半導(dǎo)體。有機(jī)物化學(xué)半導(dǎo)體相比于無(wú)機(jī)化合物半導(dǎo)體有明顯的優(yōu)勢(shì)，有機(jī)化合物不但價(jià)格低廉，更容易溶解，材料重量更輕，加工過(guò)程更容易。更重要的是，能夠通過(guò)控制分子來(lái)控制導(dǎo)電性能，這使得有機(jī)化合物半導(dǎo)體具有更廣泛的用途。目前對(duì)于有機(jī)化合物半導(dǎo)體的研究主要集中在材料和器件上，如有機(jī)薄膜、有機(jī)太陽(yáng)能、有機(jī)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(zhǎng)程無(wú)序短程有序。相同的材料，晶態(tài)和非晶態(tài)時(shí)的性能會(huì)有很大的變化，所以非晶態(tài)半導(dǎo)體相對(duì)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(kāi)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(kāi)始走向?qū)嵱没，F(xiàn)在的非晶態(tài)半導(dǎo)體制作工藝簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)在任意襯底上成膜，更容易實(shí)現(xiàn)大面積工程使用，對(duì)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(yáng)能電池、大面積液晶顯示屏等？領(lǐng)域。

3 以應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橐暯堑陌雽?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(yáng)能電池運(yùn)行的基本原理。現(xiàn)階段半導(dǎo)體材料的光伏應(yīng)用已經(jīng)成為一大熱門(mén)，是目前世界上增長(zhǎng)最快、發(fā)展最好的清潔能源市場(chǎng)。太陽(yáng)能電池的主要制作材料是半導(dǎo)體材料，判斷太陽(yáng)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(shuō)明太陽(yáng)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(yáng)能電池分為晶體硅太陽(yáng)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(yáng)能電池

晶體硅太陽(yáng)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(dá)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(yáng)能電池占據(jù)了晶體硅一半以上的市場(chǎng)份額。帶狀Si電池相對(duì)出現(xiàn)的比較晚，它在制作過(guò)程中不需要經(jīng)過(guò)切片過(guò)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(shí)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(shí)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(yáng)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(zhǎng)的單結(jié)電池的光電轉(zhuǎn)化效率已超過(guò)25%。是轉(zhuǎn)化率最高的太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)平面封裝，工作時(shí)發(fā)熱量低、節(jié)能高效，產(chǎn)品壽命長(zhǎng)、反應(yīng)速度快，而且綠色環(huán)保無(wú)污染，還能開(kāi)發(fā)成輕薄短小的產(chǎn)品，一經(jīng)問(wèn)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(yùn)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(gè)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(duì)于電器的使用十分重要，是對(duì)電器的必要保護(hù)。這就要用到等電源轉(zhuǎn)換裝置。碳化硅擊穿電壓強(qiáng)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(kāi)關(guān)頻率高的場(chǎng)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(guó)的逆變器，電氣混動(dòng)汽車(chē)的能量轉(zhuǎn)化器，輕軌列車(chē)牽引動(dòng)力轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。由于SiC本身的優(yōu)勢(shì)以及現(xiàn)階段行業(yè)對(duì)于輕量化、高轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體材料需要，SiC將會(huì)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(gè)廣泛的知識(shí)技術(shù)領(lǐng)域，本文只能簡(jiǎn)單的對(duì)半導(dǎo)體材料的分類(lèi)、性能和應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述，實(shí)際上的半導(dǎo)體類(lèi)型劃分更加細(xì)致，應(yīng)用更加復(fù)雜，同時(shí)存在著材料上的優(yōu)勝劣汰，產(chǎn)品上的更新?lián)Q代，將來(lái)隨著半導(dǎo)體材料的技術(shù)突破，更多優(yōu)質(zhì)廉價(jià)的半導(dǎo)體材料應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，人類(lèi)社會(huì)又將迎來(lái)一場(chǎng)技術(shù)變革。

參考文獻(xiàn)

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