半导体材料

半导体材料：探索未来科技的重要基石，半导体材料是现代科技领域中不可或缺的关键元素。作为一种能够调控电流和电子能带的材料，半导体材料在电子器件、光电子学、能源技术和通信领域中发挥着重要的作用。

半导体材料

半导体材料（Semiconductor   material）是半导体的一种性能（电导率介于导体和绝缘体之间，电阻率约为1mω·cm～1GΩ·cm范围内）可用于制造半导体器件和集成电路的电子材料。

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半导体材料可以根据其化学成分进行分类，然后将具有特殊结构和性质的非晶和液态半导体归为一类。根据这种分类方法，半导体材料可以分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体以及无定形和液态半导体。

元素半导体 有11种半导体，分布在元素周期表的ⅲ A到IVA族 www.qwbaike.cn

下表中的元素是这11种元素的半导体，其中c代表钻石。C、P、硒有两种形态绝缘体和半导体;B、Si、Ge、Te具有半导性；Sn、As、锑有两种形态半导体和金属。P的熔点和沸点太低，I的蒸汽压太高、它们很容易分解，所以实用价值不大。As、Sb、Sn的稳定状态是金属，而半导体是不稳定的。B、C、由于制备过程的困难和性能的限制，Te还没有被使用。因此，在11种元素半导体中，只有Ge是可用的、Si、已经使用了Se 3元件。Ge、硅仍然是应用最广泛的两种半导体材料。 Famous Encyclopedia String

无机化合物半导体 分为二进制、三元系、四元系等。二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ Group :SiC and Germanium-硅合金都具有闪锌矿结构。②Ⅲ-Ⅴ族：来自周期表中的第ⅲ族元素Al、Ga、In和v族元素p、As、Sb，典型的GaAs。它们都具有闪锌矿结构，在应用上仅次于Ge、Si，有很大的发展前景。③Ⅱ-ⅵ族:ⅱ族元素锌、Cd、汞和ⅵ族元素硫、Se、碲形成的化合物是一些重要的光电材料。ZnS、CdTe、HgTe具有闪锌矿结构。④Ⅰ－Ⅶ族：Ⅰ族元素Cu、Ag、Au和 第七族元素Cl、Br、我，在哪个CuBr、崔具有闪锌矿结构。⑤Ⅴ-Ⅵ族：Ⅴ族元素As、Sb、铋和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等是重要的热电材料。⑥第四周期B族和过渡族元素Cu、 Zn、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、氧化镍是主要的热敏电阻材料。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。除了这些二元化合物，还有元素或元素间的固溶体半导体，如Si-AlP、Ge-GaAs、InAs-InSb、AlSb-GaSb、InAs-InP、GaAs-GaP等。研究这些固溶体，对于改善单一材料的某些性能，或者开辟新的应用领域，都有很大的作用。 Famous Encyclopedia String

三元系包括：族：这被第II族和第IV族原子取代－由v族中的两个III族原子组成。比如ZnSiP2、ZnGeP2、ZnGeAs2、CdGeAs2、CdSnSe2等。族：这是用一个第I族和一个第III族原子来代替第II族-由第六族的两个第二族原子组成， 类似于 CuGaSe2、AgInTe2、 AgTlTe2、CuInSe2、CuAlS2等。这是由一个I族原子和一个V族原子代替族中的两个III族原子组成的，如Cu3AsSe4、Ag3AsTe4、Cu3SbS4、Ag3SbSe4等。此外，还有一个第四系，其结构基本上是闪锌矿（For exle, English name Cu2FeSnS4）和更复杂的无机化合物。

有机化合物半导体 已知的有机半导体有几十种，萘是众所周知的、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香化合物还没有被用作半导体。 Famous Encyclopedia String

非晶和液态半导体 与晶态半导体最大的区别在于它没有严格的周期性晶体结构。 www.qwbaike.cn

半导体材料具有介于导体和绝缘体之间的导电性质，其导电能力可通过控制材料的电子能带结构来实现。在晶体结构中，半导体材料的原子排列呈现一定的规则，形成了能带结构。价带是电子能量较高的能级，而导带是电子能量较低的能级。通常情况下，半导体材料中的电子处于价带中，无法自由传导电流。然而，通过添加掺杂剂或施加电场等控制手段，可以将部分电子激发到导带中，使其成为自由电子，进而实现电流的流动。 qwbaike.cn
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半导体材料根据其基本结构和物理特性可分为两类：绝对纯净的半导体材料，也称为本征半导体，以及通过添加少量掺杂剂来调控电子特性的掺杂半导体。本征半导体包括硅（Si）和锗（Ge），是最常见的半导体材料。它们具有较大的能隙，需要添加外部能量才能使电子跃迁到导带，因此在常温下处于绝缘状态。而掺杂半导体通过添加杂质来改变其电子能带结构。掺杂分为两类：施主和受主。施主掺杂会引入额外的自由电子，增加导电性，典型的施主杂质是磷（P）和砷（As）。而受主掺杂则引入空穴，减少导电性，常见的受主杂质是硼（B）和铝（Al）。

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半导体材料在电子器件领域有着广泛的应用。最常见的半导体器件之一是二极管，它基于PN结的特性，将半导体材料的P区和N区集成在一起，实现电流的单向传输。而三极管是由三个掺杂不同材料的半导体层组成，是电子管和集成电路的基础。半导体材料还广泛应用于太阳能电池板、发光二极管、激光器和场效应晶体管等领域。

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光电子学是半导体材料的另一个重要应用领域。半导体材料具有光电转换的能力，即将光能转化为电能或者将电能转化为光能。太阳能电池板是最典型的光电子学应用之一，它利用半导体材料对太阳辐射的吸收和光生电子-空穴对的产生，将太阳光转化为电能。另外，半导体材料的光电转换特性还被应用于光通信和光储存等领域。 Famous Encyclopedia String

半导体材料也在能源技术中发挥着重要作用。例如，砷化镓（GaAs）等宽禁带半导体材料在高效光伏电池和高速电子器件中得到了广泛应用。半导体材料的热电特性使其能够利用废热能量，将其转化为电能，用于供电或用于工业生产过程中的能源回收。 Famous Encyclopedia String

其结构稳定，拥有卓越的电学特性，而且成本低廉，可被用于制造现代电子设备中广泛使用的场效应晶体管。

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科学家们表示，最新研究有望让人造皮肤、智能绷带、柔性显示屏、智能挡风玻璃、可穿戴的电子设备和电子墙纸等变成现实。 https://www.qwbaike.cn

昂贵的原因主要因为电视机、电脑和手机等电子产品都由硅制成，制造成本很高；而碳基(塑料)有机电子产品不仅制造方便、成本低廉，而且轻便柔韧可弯曲，代表了“电子设备无处不在”这一未来趋势。

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以前的研究表明，碳结构越大，其性能越优异。但科学家们一直未曾研究出有效的方法来制造更大的、稳定的、可溶解的碳结构以进行研究，直到此次祖切斯库团队研制出这种新的用于制造晶体管的有机半导体材料。 Famous Encyclopedia String

有机半导体是一种塑料材料，其拥有的特殊结构让其具有导电性。在现代电子设备中，电路使用晶体管控制不同区域之间的电流。科学家们对新的有机半导体材料进行了研究并探索了其结构与电学属性之间的关系。 www.qwbaike.cn

半导体材料特性参数的大小与存在于材料中的杂质原子和晶体缺陷有很大关系。例如电阻率因杂质原子的类型和数量的不同而可能作大范围的变化，而载流子迁移率和非平衡载流子寿命

一般随杂质原子和晶体缺陷的增加而减小。另一方面，半导体材料的各种半导体性质又离不开各种杂质原子的作用。而对于晶体缺陷，除了在一般情况下要尽可能减少和消除外，有的情况下也希望控制在一定的水平，甚至当已经存在缺陷时可以经过适当的处理而加以利用。为了要达到对半导体材料的杂质原子和晶体缺陷这种既要限制又要利用的目的，需要发展一套制备合乎要求的半导体材料的方法，即所谓半导体材料工艺。这些工艺大致可概括为提纯、单晶制备和杂质与缺陷控制。 qwbaike.cn

半导体材料的提纯“主要是除去材料中的杂质。提纯方法可分化学法和物理法。化学提纯是把材料制成某种中间化合物以便系统地除去某些杂质，最后再把材料（元素）从某种容易分解的化合物中分离出来。物理提纯常用的是区域熔炼技术，即将半导体材料铸成锭条，从锭条的一端开始形成一定长度的熔化区域。利用杂质在凝固过程中的分凝现象，当此熔区从一端至另一端重复移动多次后，杂质富集于锭条的两端。去掉两端的材料，剩下的即为具有较高纯度的材料（见区熔法晶体生长）。此外还有真空蒸发、真空蒸馏等物理方法。锗、硅是能够得到的纯度最高的半导体材料，其主要杂质原子所占比例可以小于百亿分之一。 Famous Encyclopedia String

半导体材料的特性参数对于材料应用甚为重要。因为不同的特性

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决定不同的用途。 https://www.qwbaike.cn

晶体管对材料特性的要求：根据晶体管的工作原理，要求材料有较大的非平衡载流子寿命和载流子迁移率。用载流子迁移率大的材料制成的晶体管可以工作于更高的频率（有较好的频率响应）。晶体缺陷会影响晶体管的特性甚至使其失效。晶体管的工作温度高温限决定于禁带宽度的大小。禁带宽度越大，晶体管正常工作的高温限也越高。

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光电器件对材料特性的要求：利用半导体的光电导（光照后增加的电导）性能的辐射探测器所适用的辐射频率范围与材料的禁带宽度有关。材料的非平衡载流子寿命越大，则探测器的灵敏度越高，而从光作用于探测器到产生响应所需的时间(即探测器的弛豫时间)也越长。因此，高的灵敏度和短的弛豫时间二者难于兼顾。对于太阳能电池来说，为了得到高的转换效率，要求材料有大的非平衡载流子寿命和适中的禁带宽度(禁带宽度于1.1至1.6电子伏之间最合适)。晶体缺陷会使半导体发光二极管、半导体激光二极管的发光效率大为降低。 Famous Encyclopedia String

温差电器件对材料特性的要求：为提高温差电器件的转换效率首先要使器件两端的温差大。当低温处的温度（一般为环境温度）固定时，温差决定于高温处的温度，即温差电器件的工作温度。为了适应足够高的工作温度就要求材料的禁带宽度不能太小，其次材料要有大的温差电动势率、小的电阻率和小的热导率。 Famous Encyclopedia String

半导体材料作为能够调控电流和电子能带的关键元素，在现代科技领域发挥着不可替代的作用。通过了解半导体材料的基本原理、主要分类和相关应用，我们能够更好地认识和理解这一引领科技进步的重要基石。随着科学技术的不断发展，相信半导体材料将继续在各个领域中发挥着重要的作用，为人类创造更加美好的未来。 www.qwbaike.cn