淺談半導體材料的性能與應用前景

胡鳳霞（遼寧冶金職業技術學院 遼寧本溪 117021）

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淺談半導體材料的性能與應用前景

胡鳳霞
（遼寧冶金職業技術學院 遼寧本溪 117021）

摘 要：材料物理研究的特色方向之一是半導體物理。材料的物理性能大多與材料的原子結構、原子排列和晶體結構有關。材料的導電性能也與材料的結構密切相關。本文重點介紹了材料物理中半導體材料的分類、性能及發展前景。

關鍵詞：半導體材料 性能及分類 應用前景

一、半導體材料的分類、結構及性能

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

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

二、半導體的導電物理特性應用實例

1.整流器和穩壓管

隨著擴散運動的進行，在p區和n區的交界面p區一側出現一層帶負電的粒子區；而在交界面n區一側出現一層帶正電的粒子區。這樣，在交界面的兩側就形成了一個空間電荷區。p型區一邊帶負電荷的離子，n型區一邊帶正電荷的離子，因而在結中形成了很強的局部電場，方向由n區指向p區。當pn結上加正向電壓時， n區中的電子和p區中的空穴都容易通過，因而電流較大；當外加電壓相反時，只有原n區中的少數電子和p區中的少數空穴能夠通過，因而電流很小。因此PN結具有整流作用。［2］

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

2.激光二極管

屬于半導體二極管，按照PN結材料的不同，可以把激光二極管分為同質結、單異質結、雙異質結和量子阱激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優點，是目前市場應用的主流產品。同激光器相比，激光二極管具有效率高、體積小、壽命長的優點，但其輸出功率小（一般小于2mW），線性差、單色性不太好，使其在有線電視系統中的應用受到很大限制，不能傳輸多頻道，高性能模擬信號。在雙向光接收機的回傳模塊中，上行發射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。 產生激光的三個條件是：實現粒子數反轉、滿足閾值條件和諧振條件。產生光的受激發射的首要條件是粒子數反轉，在半導體中就是要把價帶內的電子抽運到導帶。

三、半導體材料的發展現狀及趨勢

半導體材料支撐著通信、計算機、信息家電與網絡技術等電子信息產業的發展。電子信息材料的總體發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展。當前的研究熱點和技術前沿包括柔性晶體管、光子晶體、SiC、GaN、ZnSe等寬禁帶半導體材料為代表的第三代半導體材料、有機顯示材料以及各種納米電子材料等。

隨著電子學向光電子學、光子學邁進，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展。半導體微電子材料由單片集成向系統集成發展。微電子技術發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，由單片集成向系統集成發展。

四、中國半導體材料產業的發展前景

據中國產業調研網發布的2016-2020年中國半導體材料行業現狀研究分析及發展趨勢預測報告顯示，在全球半導體總營收成長5%的狀況下，2013年全球半導體材料市場總營收為435億美元。臺灣已連續第四年成為半導體材料最大消費地區，但2013年臺灣與北美市場持平。受惠于晶圓廠材料的成長實力，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大、投資環境的日益改善、優惠政策的吸引及全球半導體產業向中國轉移等原因，我國集成電路產業每年都保持30%的增長率。集成電路制造過程中需要的主要關鍵原材料有幾十種，材料的質量和供應直接影響著集成電路的質量和競爭力，因此支撐關鍵材料業是集成電路產業鏈中最重要的一環。隨著信息產業的快速發展，特別是光伏產業的迅速發展，進一步刺激了多晶硅、單晶硅等基礎材料需求量的不斷增長。目前，世界半導體行業巨頭紛紛到國內投資，整個半導體行業快速發展，這也要求材料業要跟上半導體行業發展的步伐?？梢哉f，市場發展為半導體支撐材料業帶來前所未有的發展機遇。

參考文獻：

［1］電工電子技術 趙歆 2013.4 北京郵電大學出版社

［2］材料物理論文 2013-12-17 半導體物理的研究發展與應用前景

［3］中國產業調研網2016-2020年中國半導體材料行業現狀 研究分析及發展趨勢預測報告