深入了解3.1半导体材料的分类

在物理学中，根据材料的导电能力，可以将它们划分为导体、绝缘体和半导体，其界定的标准是材料的电阻率^[1]。

导体是指自然界中很容易导电的物质，其电阻率ρ很低（一般ρ＜10^-6Ω·cm）。金属一般都是导体。

绝缘体是指导电能力极弱或几乎不导电的物体，其电阻率ρ很高（一般ρ＞10⁸Ω·cm）。橡皮、陶瓷、塑料和石英等都是常见的绝缘体。

另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体（一般10⁸Ω·cm＞ρ＞10^-6Ω·cm）。硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）和一些硫化物、氧化物等都是常见的半导体材料。需要进一步强调说明的是，不同参考书对于上述电阻率界定可能略有差异。

半导体的主要特点，不仅仅是其电阻率在数值上与导体和绝缘体不同，而是在于它具有两个特点。首先，半导体的导电能力受外界环境的影响很大。也就是半导体电阻率受光和热等外界条件的影响很大，温度升高或光照时，均可使半导体材料的电阻率迅速下降。例如，锗的温度从200℃升高到300℃，其电阻率会降低一半左右。一些特殊的半导体，在电场和磁场的作用下，其电阻率也会发生变化。其次，半导体电阻率的变化受杂质含量的影响极大，且杂质类型不同，半导体导电类型也不相同。如300K时，本征Si的电阻率约为3.3×10⁵Ω·cm，如往本征Si中掺入磷（P），当P的浓度在10²⁰～10¹⁴m^-3范围内变化时，硅的电阻率就会在3×10^-4～20Ω·m范围内变化；如在本征Si中掺入硼（B），当B的浓度在10²⁰～10¹⁴m^-3范围内变化时，硅的电阻率就会在5.5×10^-4～30Ω·m范围内变化^[2]。这两个特点使得其在微电子、光电子领域有着广泛的应用。为了使大家深入地了解半导体材料的特性，下面对半导体材料的分类、晶体结构、掺杂和能带结构等进行简要的介绍。(www.xing528.com)

半导体材料种类很多，按其化学成分可以分为元素半导体和化合物半导体^[3]，其中元素半导体包括硼、碳、硅、锗、灰锡、磷、灰砷、灰锑、硫、硒、碲和碘等12种。化合物半导体有很多种，典型的二元化合物半导体有砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等，三元化合物半导体有铝镓砷（AlGaAs）、镓铟磷（GaInP）、镓铟砷（GaInAs）等，四元化合物半导体有铝镓铟磷（AlGaInP）和镓铟砷磷（GaInAsP）等。

按照半导体材料的物理性质，还可以分为磁性半导体、压电半导体、铁电半导体、有机半导体、玻璃半导体、气敏半导体。

此外，按其是否含有杂质可以分为本征半导体和杂质半导体。本征半导体是指没有杂质、缺陷的近乎完美的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。杂质半导体是指在本征半导体材料中引入一定的杂质而形成的半导体。掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加，按照载流子类型的不同，杂质半导体又可以分为n型半导体和p型半导体^[4]，关于该部分内容的详细介绍见3.5节。