半導體材料的性能分析及其應用

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現和應用都會極大地促進社會的發展。半導體是重要的電子材料，在電子領域得到了廣泛的應用。文章系統地分析了半導體材料的性能，對半導體材料在社會生活中的應用做了闡述。

關鍵詞 半導體材料；性能；應用

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

當今社會發展的三大推動力是能源、材料和信息。其中以半導體為代表的電子材料的發現和應用都是時代關注的重點。半導體材料在生產生活中的應用極大地提高了生產效率，降低了生產成本。同時促進了工業、農業、商業、科技、教育、衛生以及生物工程、航空航天等各個領域的全面發展。極大的提高了國家的科技水平和經濟實力，正是因為半導體材料在生產實踐中發揮了巨大的作用，所以我們更應該對于半導體材料的性能和應用有清晰的認識，以保障在未來的科技進步和社會發展中能夠更好地發揮半導體材料的作用。

1 半導體的分類

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

2 半導體材料的性能

2.1 元素半導體

元素半導體是指半導體材料由單一化學元素構成，在元素周期表有12種具有半導體性質的元素。中S、P、As、Sb和I元素都不太穩定，容易發揮；灰Sn在室溫下會轉變為白Sn，白Sn已經屬于金屬；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，無法大量用于半導體器件的制作。這樣只剩下Se、Ge和Si三種元素適用于半導體材料應用。Se曾主要被用于制作電池和整流器，后被淘汰，現在Se在非晶半導體器件領域還有使用；Ge曾在晶體管發明出來后迅速興起，后來被性能更好的Si所替代，現在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一直作為半導體的主要材料。這是由3方面因素共同導致的：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晶也十分方便，有大規模應用的條件；二是Si的禁帶寬度是1.12eV，相對于其他半導體材料更加能適應高溫工作；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體器件的穩定性和可靠性，掩蔽作用推動了半導體器件制作實現了平面工藝，為大規模自動化的工業生產和集成化創造了條件[2]。

2.2 無機合成物半導體

除了由單一元素構成的半導體材料，還有多種元素構成的半導體材料，這就是化合物半導體，具有半導體性質的主要有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，導熱性好，可以應用在光化學蝕刻上，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，是目前用來制造結型場效應晶體管、高頻器件、抗核輻射器件以及光電集成電路的最佳基礎材料。此外還有的熱導率高，禁帶寬度寬的碳化硅，它在紫外光探測器和熒光LED等方面廣泛應用。

2.3 有機合成物半導體

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帶，通過化學或電化學摻雜，載流子能容易地進入能帶，使電導率發生巨大變化，從而形成有機化合物半導體。有機物化學半導體相比于無機化合物半導體有明顯的優勢，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電性能，這使得有機化合物半導體具有更廣泛的用途。目前對于有機化合物半導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 非晶態半導體

非晶態物質的主要特性就是長程無序短程有序。相同的材料，晶態和非晶態時的性能會有很大的變化，所以非晶態半導體相對比較難以控制。直到α-Si膜可控摻雜技術發明和硫系非晶半導體開關及貯存特性的發現，才使得非晶態半導體真正開始走向實用化。現在的非晶態半導體制作工藝簡單，能夠實現在任意襯底上成膜，更容易實現大面積工程使用，對于光的吸收系數也比其他材料更大，目前主要應用于太陽能電池、大面積液晶顯示屏等？領域。

3 以應用領域為視角的半導體應用

3.1 半導體材料的光伏應用

半導體材料的光生伏特效應是太陽能電池運行的基本原理。現階段半導體材料的光伏應用已經成為一大熱門，是目前世界上增長最快、發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體材料，判斷太陽能電池的優劣主要的標準是光電轉化率，光電轉化率越高，說明太陽能電池的工作效率越高。根據應用的半導體材料的不同，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體材料是晶體硅，它是目前世界上半導體材料光伏中最成熟的主導產品。其中單晶硅電池的最高轉化效率為FZSi單晶電池創造的24%，商品單晶硅電池的轉化效率一般為14%～17%。多晶硅電池中的最優秀者是轉化效率達到19.8%的MC-Si電池，商品MC-Si電池的轉化效率一般在12%～14%，這種太陽能電池占據了晶體硅一半以上的市場份額。帶狀Si電池相對出現的比較晚，它在制作過程中不需要經過切片過程，因此提高了材料的利用效率，目前最高的轉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成本，其中非晶硅（a-Si）電池是最早實現商品化的薄膜電池，目前最好的轉化率為13%。多晶和微晶硅電池的有源區比較薄，可以保證在材料質量下降的同時維持器件性能不變，其中最高的轉化效率是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，這是最理想的半導體光伏材料，目前在單晶襯底上生長的單結電池的光電轉化效率已超過25%。是轉化率最高的太陽能電池。

3.2 半導體材料的照明應用

LED是建立在半導體晶體管上的半導體發光二極管，采用LED技術的半導體光源體積小，可以實現平面封裝，工作時發熱量低、節能高效，產品壽命長、反應速度快，而且綠色環保無污染，還能開發成輕薄短小的產品，一經問世，就迅速普及，成為新一代的優質照明光源，目前已經廣泛的運用在我們的生活中。如交通指示燈、電子產品的背光源、城市夜景美化光源、室內照明等各個領域，都有？應用。

3.3 在大功率電源轉換中的應用

交流電和直流電的相互轉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換裝置。碳化硅擊穿電壓強度高，禁帶寬度寬，熱導性高，因此SiC半導體器件十分適合應用在功率密度和開關頻率高的場合，電源裝換裝置就是其中之一。碳化硅元件在高溫、高壓、高頻的又一表現使得現在被廣泛使用到深井鉆探，發電裝置中國的逆變器，電氣混動汽車的能量轉化器，輕軌列車牽引動力轉換等領域。由于SiC本身的優勢以及現階段行業對于輕量化、高轉換效率的半導體材料需要，SiC將會取代Si，成為應用最廣泛的半導體材料。

4 結論

半導體領域是一個廣泛的知識技術領域，本文只能簡單的對半導體材料的分類、性能和應用進行簡單闡述，實際上的半導體類型劃分更加細致，應用更加復雜，同時存在著材料上的優勝劣汰，產品上的更新換代，將來隨著半導體材料的技術突破，更多優質廉價的半導體材料應用到生產生活中，人類社會又將迎來一場技術變革。

參考文獻

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

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

[3]戴英杰.半導體材料在傳感器中的應用[J].吉林工程技術師范學院學報，2007（9）：63-64.