半导体材料的应用及产业现状

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1、半导体材料的应用及产业现状摘要：超晶格概念的提出及其半导体超晶格的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想。本文将讲述半导体的特征及地位和作用，国内外产业化现状和进展情况等。关键词：半导体材料，电阻率，多晶硅，单晶硅，砷化镓，氮化镓1半导体材料的应用1.1半导体材料的特征：半导体材料是指电阻率在107Ω•cm~10-3Ω•cm，界于金属和绝缘体之间的材料。半导体材料虽然种类繁多但有一些固有的特性，称为半导体材料的特性参数。这些特性参数不仅能反映半导体材料与其他非半导体材料之间的差别，而且更重要的是能反映各种半导体材料之间甚至同一种材料在不同情况下特性上的量的差别。常用的半导体

2、材料的特性参数有：禁带宽度、电阻率、载流子迁移率(载流子即半导体中参加导电的电子和空穴)、非平衡载流子寿命、位错密度。禁带宽度由半导体的电子态、原子组态决定，反映组成这种材料的原子中价电子从束缚状态激发到自由状态所需的能量。电阻率、载流子迁移率反映材料的导电能力。非平衡载流子寿命反映半导体材料在外界作用（如光或电场）下内部的载流子由非平衡状态向平衡状态过渡的弛豫特性。位错是晶体中最常见的一类晶体缺陷。位错密度可以用来衡量半导体单晶材料晶格完整性的程度。当然，对于非晶态半导体是没有这一反映晶格完整性的特性参数的。半导体材料的特性参数对于材料应用甚为重要。因为不同的特性决定不同

3、的用途。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。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

4、难于兼顾。对于太阳电池来说，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。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。1.2半导体材料的地位：上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了革

5、命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻影响世界的、格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。1.3半导体的应用和发展：半导体的应用十分广泛，主要是制成有特殊功能的元器件，如晶体管、集成电路、整流器、激光器以及各种光电探测器件、微波

6、器件等。1960年真空三极管的发明，为上世纪上半叶无线电和电话的发展奠定了基础。1947年，美国贝尔研究所的巴丁、肖克莱、不拉坦研制出第一个晶体三极管。它的出现成为上世纪下半叶世界科技发展的基础。其功耗极低，而且可靠性高，转换速度快，功能多样尺寸又小。因而成为当时出现的数字计算机的理想器件，并很快在无线电技术和军事上或得广泛的应用，由于研制晶体管，他们三人获得1956年诺贝尔物理学奖。半导体材料在目前的电子工业和微电子工业中主要用来制作晶体管、集成电路、固态激光器等器件。我们现在常见的晶体管有两种，即双极型晶体管和场效应晶体管，它们都是电子计算机的关键器件，前者是计算机中央

7、处理装置（即对数据进行操作部分）的基本单元，后者是计算机存储的基本单元。两种晶体管的性能在很大程度上均依赖于原始硅晶体的质量。砷化镓单晶体材料是继锗、硅之后发展起来的新一代半导体材料。它具有迁移率高、禁带宽度大的优势。它是目前最重要、最成熟的化合物半导体材料，主要用于光电子和微电技术领域。电子技术最初的应用领域主要是无线电通讯、广播、电视的发射和接收。雷达作为一种探测敌方飞行器的装置在第二次世界大战中大显身手，成为现代电子技术的一个重要领域。电子显微镜、各种波谱和表面能仪以及加速器、遥测、遥控和遥感、医学也是电子技