半导体材料简介：探索13.2系列

半导体材料是电阻率介于导体（主要是金属）和非导体（电介质）之间的一类物质。它们的电阻率介于10^-4～10⁹Ω·cm之间^[2]。半导体材料有五大特性，即掺杂性、热敏性、光敏性、负电阻率温度特性和整流特性。具体表现为：1）掺入极微量的杂质即可对半导体材料的电阻率产生巨大影响，可以通过掺入特定的杂质元素，人为地精确地控制半导体的导电能力；2）半导体的电阻率对温度和光照敏感，且与温度负相关，即电阻率随温度升高而降低；3）半导体材料载流子有电子和空穴两种，主要依靠空穴导电的称为p型半导体，主要依靠电子导电的称为n型半导体，如将p型与n型半导体制作在同一块基片上，则在其交界面形成具有整流特性（单向导电性）的pn结。

半导体材料种类繁多，按化学成分可分成六大类^[3]：

1）元素半导体材料。包括硼（B）、硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、硫（S）、硒（Se）、碲（Te）和碘（I）等元素，其中硅、锗、硒是常用的元素半导体材料。

硒是最早使用的元素半导体材料，主要用于制造硒整流器、硒光电池和静电复印半导体（硒鼓）。

锗是工业上最先实用化的半导体材料，由于料源贫乏、可制造器件的品种少、不宜制作高反向耐压的大功率器件，其应用大部分已被硅代替。

硅是一种性能优越、资源丰富、工艺成熟、应用广泛的元素半导体材料，从1960年开始成为主要的半导体材料，用于制造集成电路、晶体管、二极管、整流元件、光电池、粒子探测器等。

2）二元化合物半导体材料。包括Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅳ族、Ⅴ-Ⅳ族、Ⅴ-Ⅴ族和Ⅴ-Ⅵ族等化合物。其中Ⅲ-Ⅴ族化合物有氮化镓（GaN）、磷化镓（CaP）、砷化镓（GaAs）和锑化铟（InSb）等；Ⅱ-Ⅵ族化合物有硫化镉（CdS）、硫化锌（ZnS）等；Ⅳ-Ⅳ族化合物有碳化硅（SiC）等；Ⅴ-Ⅳ族化合物有硒化铋（Bi₂Se₃）、Ⅴ-Ⅴ族化合物，如锑化铋（BiSb）、Ⅴ-Ⅵ族化合物如碲化锑等。(www.xing528.com)

二元化合物半导体中，研究最多和应用最广的是砷化镓，其禁带宽度比锗、硅都大，最高工作温度可达450℃，且其电子迁移率高，是高温、高频、抗辐射、低噪声器件的良好材料。氮化镓（GaN）具有能带带宽高、饱和漂移速率高、击穿电场高及化学惰性等特点，在高温大功率器件和高频微波器件方面有着广阔的应用前景。

3）固溶体半导体材料。此种材料是指两种或两种以上的元素或化合物熔合而成的材料，目前应用较多的是Ⅲ-Ⅴ族化合物或Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体。前者有镓砷磷GaAs（1-x）P_x，镓铝砷Ca（1-x）Al_xAs和铟镓磷In（1-x）Ga_xP等；后者有碲镉汞Hg（1-x）Cd_xTe等。

4）氧化物半导体材料。是由金属与氧形成的化合物半导体材料。此种材料种类较多，如氧化锰（MnO）、氧化铬（Cr₂O₃）、氧化亚铁（FeO）、氧化铁（Fe₂O₃）、氧化镍（NiO）、氧化钴（CoO）、氧化镁（MgO）、氧化锌（ZnO）及氧化锡（SnO₂）等，大多用于制造湿敏、气敏和热敏元件。

5）玻璃或非晶态半导体材料。通常分为两类：氧化物玻璃半导体和硫化物玻璃半导体，用于制作开关和记忆器件、固体显示器和太阳能电池等。

6）有机半导体材料。如蒽、紫蒽酮和聚苯乙炔等，其典型载流子是π键中的空穴和电子，其应用有望让柔性显示屏、可穿戴的电子设备和电子墙纸等变成现实，但耐热性差，不易钎焊。