浅谈半导体材料的性能与应用前景

胡凤霞（辽宁冶金职业技术学院 辽宁本溪 117021）



浅谈半导体材料的性能与应用前景

胡凤霞
（辽宁冶金职业技术学院 辽宁本溪 117021）

摘 要：材料物理研究的特色方向之一是半导体物理。材料的物理性能大多与材料的原子结构、原子排列和晶体结构有关。材料的导电性能也与材料的结构密切相关。本文重点介绍了材料物理中半导体材料的分类、性能及发展前景。

关键词：半导体材料 性能及分类 应用前景

一、半导体材料的分类、结构及性能

半导体（Semiconductor）是导电性能介于导体和绝缘体之间的一类材料。半导体的应用越来越广，用于制作半导体的材料也越来越多，因而它的分类方法也很多：按照制造技术可以将半导体分为：集成电路器件、 分立器件 、光电半导体、 逻辑IC 、模拟IC和储存器等；按化学成分可以分为：元素半导体和化合物半导体；半导体还可以分为晶态半导体 、非晶态的玻璃半导体 和有机半导体等。其中晶态半导体又分为单晶和多晶半导体；另外在实际应用中，根据半导体材料中是否含有杂质，还可以分为本征半导体和杂质半导体。

半导体的电子能量状态和运动状态及规律决定了半导体的性质容易受到外界温度 、光照 、电场 、磁场和微量杂质含量的作用而发生变化。因此，对于每种半导体，其能级结构是不同的。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。靠电子导电的杂质半导体称N型半导体，靠空穴导电的半导体称P型半导体。不同类型半导体间接触构成PN结，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。［1］

二、半导体的导电物理特性应用实例

1.整流器和稳压管

随着扩散运动的进行，在p区和n区的交界面p区一侧出现一层带负电的粒子区；而在交界面n区一侧出现一层带正电的粒子区。这样，在交界面的两侧就形成了一个空间电荷区。p型区一边带负电荷的离子，n型区一边带正电荷的离子，因而在结中形成了很强的局部电场，方向由n区指向p区。当pn结上加正向电压时， n区中的电子和p区中的空穴都容易通过，因而电流较大；当外加电压相反时，只有原n区中的少数电子和p区中的少数空穴能够通过，因而电流很小。因此PN结具有整流作用。［2］

当具有PN结的半导体受到光照时，其中电子和空穴的数目增多，在结的局部电场作用下，p区的电子移到n区，n区的空穴移到p区，这样在结的两端就有电荷积累，形成电势差。这现象称为pn结的光生伏特效应。基于这些特性，用PN结可制成半导体二极管和光电池等器件。如果在PN结上加以反向电压，电压在一定范围内，PN结几乎不通过电流，但当加在PN结上的反向电压越过某一数值时，发生电流突然增大的现象。这时PN结被击穿。PN结被击穿后便失去其单向导电的性能，但结并不一定损坏，此时将反向电压降低，它的性能还可以恢复。由于PN结具有这种特性，一方面可以用它制造半导体二极管，使之工作在一定电压范围之内作整流器等；另方面因击穿后并不损坏而可用来制造稳压管或开关管等器件。

2.激光二极管

属于半导体二极管，按照PN结材料的不同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结、双异质结和量子阱激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。 产生激光的三个条件是：实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。产生光的受激发射的首要条件是粒子数反转，在半导体中就是要把价带内的电子抽运到导带。

三、半导体材料的发展现状及趋势

半导体材料支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。电子信息材料的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。当前的研究热点和技术前沿包括柔性晶体管、光子晶体、SiC、GaN、ZnSe等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料、有机显示材料以及各种纳米电子材料等。

随着电子学向光电子学、光子学迈进，微电子材料在未来5～10年仍是最基本的信息材料。电子、光电子功能单晶将向着大尺寸、高均匀性、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发展。半导体微电子材料由单片集成向系统集成发展。微电子技术发展的主要途径是通过不断缩小器件的特征尺寸，增加芯片面积以提高集成度和信息处理速度，由单片集成向系统集成发展。

四、中国半导体材料产业的发展前景

据中国产业调研网发布的2016-2020年中国半导体材料行业现状研究分析及发展趋势预测报告显示，在全球半导体总营收成长5%的状况下，2013年全球半导体材料市场总营收为435亿美元。台湾已连续第四年成为半导体材料最大消费地区，但2013年台湾与北美市场持平。受惠于晶圆厂材料的成长实力，中国和欧洲的材料市场在2013年增长4%。［3］

近几年，由于市场需求的不断扩大、投资环境的日益改善、优惠政策的吸引及全球半导体产业向中国转移等原因，我国集成电路产业每年都保持30%的增长率。集成电路制造过程中需要的主要关键原材料有几十种，材料的质量和供应直接影响着集成电路的质量和竞争力，因此支撑关键材料业是集成电路产业链中最重要的一环。随着信息产业的快速发展，特别是光伏产业的迅速发展，进一步刺激了多晶硅、单晶硅等基础材料需求量的不断增长。目前，世界半导体行业巨头纷纷到国内投资，整个半导体行业快速发展，这也要求材料业要跟上半导体行业发展的步伐。可以说，市场发展为半导体支撑材料业带来前所未有的发展机遇。

参考文献：

［1］电工电子技术 赵歆 2013.4 北京邮电大学出版社

［2］材料物理论文 2013-12-17 半导体物理的研究发展与应用前景

［3］中国产业调研网2016-2020年中国半导体材料行业现状 研究分析及发展趋势预测报告