半导体及其导电性
Rad聊碳化硅 · 2020-12-10
半导体及其导电性
碳化硅系列第45篇
什么是半导体?
第一种说法,世界上固体分为三种:导体、半导体、绝缘体,半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的固体。我们通常把导电性差的固体,如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体。而把导电性比较好的金属,如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。
前面是定性的说法,如果要定量分析的话,导电性能的标定则是通过欧姆定律U=IR来定义,U为材料两端电压,I为材料导通电流,R为材料表现出来的电阻;R=ρl/S来消去材料形状带来的影响,ρ为待测电阻率,l为材料长度,S为材料截面积。
导体的代表材料是各种金属,常温下的电阻率的量纲为10^-8Ωm;
半导体硅的电阻率为10^6Ωm;
而绝缘体纸张的电阻率为10^6至10^14Ωm。
你可以看到,实际上绝缘体和半导体的电阻率差别并没有半导体和导体的差别那么大,说起来硅也可以视为绝缘体。所以,比较常温下的电阻率来讨论半导体没有什么意义【漫画半导体】。
而第二种说法,从更深层次的导电性能出发去定义:导体的电阻率随温度上升而增加,半导体的电阻率随温度上升而减少。一般来说,载流子为电子、空穴,电子运动是实际存在的,而空穴运动其实是束缚电子运动的等效。
电阻是因为晶格/电子与导电粒子(电子等)相互作用,阻碍了导电粒子的运动。决定电阻率的主要因素是导电的粒子——电子的密度。单一金属的电子密度为10^23/cm3,在温度升高时,电子间相互作用增强,因而电阻率上升。而温度上升,半导体内的电子会从被晶格束缚电子,变成导电的自由电子,因而电阻率下降【漫画半导体】。
但是,这个定义也不完全。
对于单一金属,电阻率随温度的升高而升高,是成线性关系;而将不同的金属制成合金,可以得到电阻率几乎不随温度的变化而变化的标准电阻;而绝缘体和半导体都是随温度的升高而减少的,不成线性关系,这里特指没有掺杂的半导体——本征半导体。
你可以看出,半导体和绝缘体其实是混为一谈的,而且实际使用半导体材料是不会表征这个性质的【图形化半导体特性手册】。
再进一步,通过能带理论分析。
导体中价电子没有充满所在能带,而半导体与绝缘体的价电子都完全占据所在能带【第三代半导体材料】。由于能带被完全充满,要导电则必须跃迁到上一个能带,这中间就是禁带,对应的能量叫做禁带宽度。但是禁带宽度小一点的,在室温/电压的作用下电子还是可以跨越这个禁带,从而自由运动,具有导电性。所以,常常把禁带宽度为2eV左右的材料叫做半导体,实际上随着第三代半导体(宽禁带半导体)的提出,相应的禁带宽度为6.2eV的AlN都被视为半导体,距离将最后的带隙为9eV的绝缘体SiO2转变为半导体也就只有一步之遥。
那么实际上,半导体与绝缘体的没有本质的不同。导体的对面,是非导体;非则代表了多种多样的情况:什么温度、什么压力、什么电压、什么磁场等等下,才不是导体,或者才是导体。只要有带隙,就是绝缘体;但是,在一定的外界条件下,可以将绝缘体转化为导体;如果这个条件是能够利用的,能够用于电子电器行业的,就将这一类绝缘体成为半导体(Semi-conductor)。
Semi-conductor直译应该是准导体,切合能转化为导体这一特性。通过N掺杂使得碳化硅电阻率降低为导电衬底,可是碳化硅还是第三代半导体嘛。
Semi-insulator含义与半导体相同,直译应该是准绝缘体,切合能转化为导体这一特性。高纯碳化硅的电阻率极低,可是注入一些粒子就可以改变局部电导率,所以是第三代半导体嘛。
注:并不成熟的理解,求轻喷。
但实际上,我们不会单一使用一种材料的能带,而是将不同材料组合或者掺杂,形成我们所需的能带结构来控制。比如说,P型半导体+N型半导体组成的PN结。比如说,P型半导体+N型半导体+导体+绝缘体组成的MOSFET。
那么,最贴合半导体的概念就是具有带隙的物质了。而半导体材料则是带隙可用于服务生产生活的物质。不是所有的带隙都是可以使用的,而且就算可以用,还必须要比现在商用的这些材料更具有优势才行。
但是实际使用中,概念常常会混用。比如,半导体行业里面,半导体一般指集成电路(IC,Integrated Circuit)。而IC又常常用来表示芯片(Integrated Circuit Chip)。
常见的半导体材料:
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