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半导体材料有哪些元素

  半导体( semiconductor),指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。如二极管就是采用半导体制作的器件。半导体是指一种导电性可受控制,范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看,半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品,如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,而硅更是各种半导体材料中,在商业应用上最具有影响力的一种。

  锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物(砷化镓、磷化镓等)、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体(镓铝砷、镓砷磷等)。除上述晶态半导体外,还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

  具有半导体特性的元素,如硅、锗、硼、硒、碲、碳、碘等组成的材料。其导电能力介乎导体和绝缘体之间。。主要采用直拉法、区熔法或外延法制备。工业上应用最多的是硅、锗、硒。用于制作各种晶体管、整流器、集成电路、太阳能电池等方面。其他硼、碳(金刚石、石墨)、碲、碘及红磷、灰砷、灰锑、灰铅、硫也是半导体,但都尚未得到应用。

  在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性的元素,下表的黑框中即这11种元素半导体,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 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。

  硅和锗是我们最熟悉的元素半导体。锗是最早实现提纯和完美晶体生长,并最早用来制造晶体管的半导体材料。但是,由于锗的禁带较窄,锗器件的稳定工作温度远不如硅器件高,加之资源有限,其重要地位早在半导体工业发展初期就被硅所取代。目前,锗仅以其较高的载流子迁移率和在某些重掺杂情况下的高度红外敏感特性,在低频小功率晶体管以及远红外探测器等方面维持着有限的应用。最近,由于半导体能带工程研究的兴起,锗硅合金因其能带结构可以根据需要而改变受到普遍重视,锗作为这种合金的主要成分而得到新的应用。

  硅以其优越的物理性质、成熟而较为容易的制备方法以及地球上丰富的资源而成为当前应用最为广泛的元素半导体。硅在地壳中的资源含量约为27%,因而自20世纪50年代末起,随着提纯和晶体生长技术以及硅平面工艺的发展,硅很快就在半导体工业中取代了锗的位置。到目前为止,二极管、晶体管和集成电路的制造,仍然是半导体工业的核心内容,而晶体硅则是制造这些器件的最主要材料。

  硅在半导体工业中获得最广泛的应用,这在很大程度上得益于二氧化硅的特殊性质。首先,二氧化硅薄膜层能够有效地掩蔽大多数重要的受主和施主杂质的扩散,从而为器件制造工艺中的选择扩散提供了最理想的掩膜,使器件的集合图形可以得到精确的控制;其次,有氧化膜的硅表面比自由表面有更好的电特性,因而硅器件比较容易解决表面的钝化问题,容易使器件特性获得良好的重复性和稳定性;此外,由于二氧化硅是一种性能很稳定的绝缘体,将它夹在硅与金属之间构成的金属一氧化物一半导体结构。是MOS型场效应晶体管的基础,这是一种只利用多数载流子工作的单极性器件。由于化合物半导体材料的氧化物在性质上都存在着一些尚难克服的短处,硅MOSFET是目前唯一能够普遍应用的MOS器件。

  半导体材料是室温下导电性介于导电材料和绝缘材料之间的一类功能材料。靠电子和空穴两种载流子实现导电,室温时电阻率一般在10-5~107欧米之间。通常电阻率随温度升高而增大;若掺入活性杂质或用光、射线辐照,可使其电阻率有几个数量级的变化。1906年制成了碳化硅检波器。

  1947年发明晶体管以后,半导体材料作为一个独立的材料领域得到了很大的发展,并成为电子工业和高技术领域中不可缺少的材料。特性和参数半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感。纯度很高的半导体材料称为本征半导体,常温下其电阻率很高,是电的不良导体。在高纯半导体材料中掺入适当杂质后,由于杂质原子提供导电载流子,使材料的电阻率大为降低。这种掺杂半导体常称为杂质半导体。杂质半导体靠导带电子导电的称N型半导体,靠价带空穴导电的称P型半导体。

  不同类型半导体间接触(构成PN结)或半导体与金属接触时,因电子(或空穴)浓度差而产生扩散,在接触处形成位垒,因而这类接触具有单向导电性。利用PN结的单向导电性,可以制成具有不同功能的半导体器件,如二极管、三极管、晶闸管等。

  此外,半导体材料的导电性对外界条件的变化非常敏感,据此可以制造各种敏感元件,用于信息转换。半导体材料的特性参数有禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命和位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定,反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用(如光或电场)下内部载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类缺陷。位错密度用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度,对于非晶态半导体材料,则没有这一参数。半导体材料的特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别,更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下,其特性的量值差别。