半導(dǎo)體材料
半導(dǎo)體材料：探索未來科技的重要基石，半導(dǎo)體材料是現(xiàn)代科技領(lǐng)域中不可或缺的關(guān)鍵元素。作為一種能夠調(diào)控電流和電子能帶的材料，半導(dǎo)體材料在電子器件、光電子學(xué)、能源技術(shù)和通信領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。
半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料（Semiconductor material）是半導(dǎo)體的一種性能（電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣體之間，電阻率約為1mω·cm～1GΩ·cm范圍內(nèi)）可用于制造半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。
主要種類
半導(dǎo)體材料可以根據(jù)其化學(xué)成分進(jìn)行分類，然后將具有特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的非晶和液態(tài)半導(dǎo)體歸為一類。根據(jù)這種分類方法，半導(dǎo)體材料可以分為元素半導(dǎo)體、無機(jī)化合物半導(dǎo)體、有機(jī)化合物半導(dǎo)體以及無定形和液態(tài)半導(dǎo)體。
元素半導(dǎo)體 有11種半導(dǎo)體，分布在元素周期表的ⅲ A到IVA族
下表中的元素是這11種元素的半導(dǎo)體，其中c代表鉆石。C、P、硒有兩種形態(tài)絕緣體和半導(dǎo)體;B、Si、Ge、Te具有半導(dǎo)性；Sn、As、銻有兩種形態(tài)半導(dǎo)體和金屬。P的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)太低，I的蒸汽壓太高、它們很容易分解，所以實(shí)用價值不大。As、Sb、Sn的穩(wěn)定狀態(tài)是金屬，而半導(dǎo)體是不穩(wěn)定的。B、C、由于制備過程的困難和性能的限制，Te還沒有被使用。因此，在11種元素半導(dǎo)體中，只有Ge是可用的、Si、已經(jīng)使用了Se 3元件。Ge、硅仍然是應(yīng)用最廣泛的兩種半導(dǎo)體材料。
無機(jī)化合物半導(dǎo)體 分為二進(jìn)制、三元系、四元系等。二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ Group :SiC and Germanium-硅合金都具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。②Ⅲ-Ⅴ族：來自周期表中的第ⅲ族元素Al、Ga、In和v族元素p、As、Sb，典型的GaAs。它們都具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用上僅次于Ge、Si，有很大的發(fā)展前景。③Ⅱ-ⅵ族:ⅱ族元素鋅、Cd、汞和ⅵ族元素硫、Se、碲形成的化合物是一些重要的光電材料。ZnS、CdTe、HgTe具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和 第七族元素Cl、Br、我，在哪個CuBr、崔具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、鉍和ⅵ族元素 S、Se、由Te形成的化合物具有例如Bi2Te3的形式、Bi2Se3、Bi2S3、As2Te3等是重要的熱電材料。⑥第四周期B族和過渡族元素Cu、 Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、氧化鎳是主要的熱敏電阻材料。⑦某些稀土元素 Sc、Y、Sm、Eu、Yb、Tm和ⅴ族元素n、As或ⅵ族元素、Se、碲形成的化合物。除了這些二元化合物，還有元素或元素間的固溶體半導(dǎo)體，如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究這些固溶體，對于改善單一材料的某些性能，或者開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，都有很大的作用。
三元系包括：族：這被第II族和第IV族原子取代－由v族中的兩個III族原子組成。比如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等。族：這是用一個第I族和一個第III族原子來代替第II族-由第六族的兩個第二族原子組成， 類似于 CuGaSe2、AgInTe2、 AgTlTe2、CuInSe2、CuAlS2等。這是由一個I族原子和一個V族原子代替族中的兩個III族原子組成的，如Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4等。此外，還有一個第四系，其結(jié)構(gòu)基本上是閃鋅礦（For exle, English name Cu2FeSnS4）和更復(fù)雜的無機(jī)化合物。
有機(jī)化合物半導(dǎo)體 已知的有機(jī)半導(dǎo)體有幾十種，萘是眾所周知的、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香化合物還沒有被用作半導(dǎo)體。
非晶和液態(tài)半導(dǎo)體 與晶態(tài)半導(dǎo)體最大的區(qū)別在于它沒有嚴(yán)格的周期性晶體結(jié)構(gòu)。
基本原理
半導(dǎo)體材料具有介于導(dǎo)體和絕緣體之間的導(dǎo)電性質(zhì)，其導(dǎo)電能力可通過控制材料的電子能帶結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。在晶體結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體材料的原子排列呈現(xiàn)一定的規(guī)則，形成了能帶結(jié)構(gòu)。價帶是電子能量較高的能級，而導(dǎo)帶是電子能量較低的能級。通常情況下，半導(dǎo)體材料中的電子處于價帶中，無法自由傳導(dǎo)電流。然而，通過添加摻雜劑或施加電場等控制手段，可以將部分電子激發(fā)到導(dǎo)帶中，使其成為自由電子，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電流的流動。
半導(dǎo)體材料根據(jù)其基本結(jié)構(gòu)和物理特性可分為兩類：絕對純凈的半導(dǎo)體材料，也稱為本征半導(dǎo)體，以及通過添加少量摻雜劑來調(diào)控電子特性的摻雜半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體包括硅（Si）和鍺（Ge），是最常見的半導(dǎo)體材料。它們具有較大的能隙，需要添加外部能量才能使電子躍遷到導(dǎo)帶，因此在常溫下處于絕緣狀態(tài)。而摻雜半導(dǎo)體通過添加雜質(zhì)來改變其電子能帶結(jié)構(gòu)。摻雜分為兩類：施主和受主。施主摻雜會引入額外的自由電子，增加導(dǎo)電性，典型的施主雜質(zhì)是磷（P）和砷（As）。而受主摻雜則引入空穴，減少導(dǎo)電性，常見的受主雜質(zhì)是硼（B）和鋁（Al）。
半導(dǎo)體材料在電子器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。最常見的半導(dǎo)體器件之一是二極管，它基于PN結(jié)的特性，將半導(dǎo)體材料的P區(qū)和N區(qū)集成在一起，實(shí)現(xiàn)電流的單向傳輸。而三極管是由三個摻雜不同材料的半導(dǎo)體層組成，是電子管和集成電路的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體材料還廣泛應(yīng)用于太陽能電池板、發(fā)光二極管、激光器和場效應(yīng)晶體管等領(lǐng)域。
光電子學(xué)是半導(dǎo)體材料的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。半導(dǎo)體材料具有光電轉(zhuǎn)換的能力，即將光能轉(zhuǎn)化為電能或者將電能轉(zhuǎn)化為光能。太陽能電池板是最典型的光電子學(xué)應(yīng)用之一，它利用半導(dǎo)體材料對太陽輻射的吸收和光生電子-空穴對的產(chǎn)生，將太陽光轉(zhuǎn)化為電能。另外，半導(dǎo)體材料的光電轉(zhuǎn)換特性還被應(yīng)用于光通信和光儲存等領(lǐng)域。
半導(dǎo)體材料也在能源技術(shù)中發(fā)揮著重要作用。例如，砷化鎵（GaAs）等寬禁帶半導(dǎo)體材料在高效光伏電池和高速電子器件中得到了廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體材料的熱電特性使其能夠利用廢熱能量，將其轉(zhuǎn)化為電能，用于供電或用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的能源回收。
新型材料
其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，擁有卓越的電學(xué)特性，而且成本低廉，可被用于制造現(xiàn)代電子設(shè)備中廣泛使用的場效應(yīng)晶體管。
科學(xué)家們表示，最新研究有望讓人造皮膚、智能繃帶、柔性顯示屏、智能擋風(fēng)玻璃、可穿戴的電子設(shè)備和電子墻紙等變成現(xiàn)實(shí)。
昂貴的原因主要因?yàn)殡娨暀C(jī)、電腦和手機(jī)等電子產(chǎn)品都由硅制成，制造成本很高；而碳基(塑料)有機(jī)電子產(chǎn)品不僅制造方便、成本低廉，而且輕便柔韌可彎曲，代表了“電子設(shè)備無處不在”這一未來趨勢。
以前的研究表明，碳結(jié)構(gòu)越大，其性能越優(yōu)異。但科學(xué)家們一直未曾研究出有效的方法來制造更大的、穩(wěn)定的、可溶解的碳結(jié)構(gòu)以進(jìn)行研究，直到此次祖切斯庫團(tuán)隊(duì)研制出這種新的用于制造晶體管的有機(jī)半導(dǎo)體材料。
有機(jī)半導(dǎo)體是一種塑料材料，其擁有的特殊結(jié)構(gòu)讓其具有導(dǎo)電性。在現(xiàn)代電子設(shè)備中，電路使用晶體管控制不同區(qū)域之間的電流。科學(xué)家們對新的有機(jī)半導(dǎo)體材料進(jìn)行了研究并探索了其結(jié)構(gòu)與電學(xué)屬性之間的關(guān)系。
材料工藝?
半導(dǎo)體材料特性參數(shù)的大小與存在于材料中的雜質(zhì)原子和晶體缺陷有很大關(guān)系。例如電阻率因雜質(zhì)原子的類型和數(shù)量的不同而可能作大范圍的變化，而載流子遷移率和非平衡載流子壽命
一般隨雜質(zhì)原子和晶體缺陷的增加而減小。另一方面，半導(dǎo)體材料的各種半導(dǎo)體性質(zhì)又離不開各種雜質(zhì)原子的作用。而對于晶體缺陷，除了在一般情況下要盡可能減少和消除外，有的情況下也希望控制在一定的水平，甚至當(dāng)已經(jīng)存在缺陷時可以經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚矶右岳谩榱艘_(dá)到對半導(dǎo)體材料的雜質(zhì)原子和晶體缺陷這種既要限制又要利用的目的，需要發(fā)展一套制備合乎要求的半導(dǎo)體材料的方法，即所謂半導(dǎo)體材料工藝。這些工藝大致可概括為提純、單晶制備和雜質(zhì)與缺陷控制。
半導(dǎo)體材料的提純“主要是除去材料中的雜質(zhì)。提純方法可分化學(xué)法和物理法。化學(xué)提純是把材料制成某種中間化合物以便系統(tǒng)地除去某些雜質(zhì)，最后再把材料（元素）從某種容易分解的化合物中分離出來。物理提純常用的是區(qū)域熔煉技術(shù)，即將半導(dǎo)體材料鑄成錠條，從錠條的一端開始形成一定長度的熔化區(qū)域。利用雜質(zhì)在凝固過程中的分凝現(xiàn)象，當(dāng)此熔區(qū)從一端至另一端重復(fù)移動多次后，雜質(zhì)富集于錠條的兩端。去掉兩端的材料，剩下的即為具有較高純度的材料（見區(qū)熔法晶體生長）。此外還有真空蒸發(fā)、真空蒸餾等物理方法。鍺、硅是能夠得到的純度最高的半導(dǎo)體材料，其主要雜質(zhì)原子所占比例可以小于百億分之一。
特性要求?
半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)對于材料應(yīng)用甚為重要。因?yàn)椴煌奶匦?/p>
半導(dǎo)體材料決定不同的用途。
晶體管對材料特性的要求：根據(jù)晶體管的工作原理，要求材料有較大的非平衡載流子壽命和載流子遷移率。用載流子遷移率大的材料制成的晶體管可以工作于更高的頻率（有較好的頻率響應(yīng)）。晶體缺陷會影響晶體管的特性甚至使其失效。晶體管的工作溫度高溫限決定于禁帶寬度的大小。禁帶寬度越大，晶體管正常工作的高溫限也越高。
光電器件對材料特性的要求：利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)（光照后增加的電導(dǎo)）性能的輻射探測器所適用的輻射頻率范圍與材料的禁帶寬度有關(guān)。材料的非平衡載流子壽命越大，則探測器的靈敏度越高，而從光作用于探測器到產(chǎn)生響應(yīng)所需的時間(即探測器的弛豫時間)也越長。因此，高的靈敏度和短的弛豫時間二者難于兼顧。對于太陽能電池來說，為了得到高的轉(zhuǎn)換效率，要求材料有大的非平衡載流子壽命和適中的禁帶寬度(禁帶寬度于1.1至1.6電子伏之間最合適)。晶體缺陷會使半導(dǎo)體發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光二極管的發(fā)光效率大為降低。
溫差電器件對材料特性的要求：為提高溫差電器件的轉(zhuǎn)換效率首先要使器件兩端的溫差大。當(dāng)?shù)蜏靥幍臏囟龋ㄒ话銥榄h(huán)境溫度）固定時，溫差決定于高溫處的溫度，即溫差電器件的工作溫度。為了適應(yīng)足夠高的工作溫度就要求材料的禁帶寬度不能太小，其次材料要有大的溫差電動勢率、小的電阻率和小的熱導(dǎo)率。
詞條總結(jié)
半導(dǎo)體材料作為能夠調(diào)控電流和電子能帶的關(guān)鍵元素，在現(xiàn)代科技領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。通過了解半導(dǎo)體材料的基本原理、主要分類和相關(guān)應(yīng)用，我們能夠更好地認(rèn)識和理解這一引領(lǐng)科技進(jìn)步的重要基石。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，相信半導(dǎo)體材料將繼續(xù)在各個領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，為人類創(chuàng)造更加美好的未來。