半導體及其導電性

2021-01-18 Rad聊碳化矽

什麼是半導體?


第一種說法,世界上固體分為三種:導體、半導體、絕緣體,半導體指常溫下導電性能介於導體與絕緣體之間的固體。我們通常把導電性差的固體,如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體。而把導電性比較好的金屬,如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體。


前面是定性的說法,如果要定量分析的話,導電性能的標定則是通過歐姆定律U=IR來定義,U為材料兩端電壓,I為材料導通電流,R為材料表現出來的電阻;R=ρl/S來消去材料形狀帶來的影響,ρ為待測電阻率,l為材料長度,S為材料截面積。


導體的代表材料是各種金屬,常溫下的電阻率的量綱為10^-8Ωm;

半導體矽的電阻率為10^6Ωm;

而絕緣體紙張的電阻率為10^6至10^14Ωm。


你可以看到,實際上絕緣體和半導體的電阻率差別並沒有半導體和導體的差別那麼大,說起來矽也可以視為絕緣體。所以,比較常溫下的電阻率來討論半導體沒有什麼意義【漫畫半導體】。


而第二種說法,從更深層次的導電性能出發去定義:導體的電阻率隨溫度上升而增加,半導體的電阻率隨溫度上升而減少。一般來說,載流子為電子、空穴,電子運動是實際存在的,而空穴運動其實是束縛電子運動的等效。


電阻是因為晶格/電子與導電粒子(電子等)相互作用,阻礙了導電粒子的運動。決定電阻率的主要因素是導電的粒子——電子的密度。單一金屬的電子密度為10^23/cm3,在溫度升高時,電子間相互作用增強,因而電阻率上升。而溫度上升,半導體內的電子會從被晶格束縛電子,變成導電的自由電子,因而電阻率下降【漫畫半導體】。


但是,這個定義也不完全。


對於單一金屬,電阻率隨溫度的升高而升高,是成線性關係;而將不同的金屬製成合金,可以得到電阻率幾乎不隨溫度的變化而變化的標準電阻;而絕緣體和半導體都是隨溫度的升高而減少的,不成線性關係,這裡特指沒有摻雜的半導體——本徵半導體。


你可以看出,半導體和絕緣體其實是混為一談的,而且實際使用半導體材料是不會表徵這個性質的【圖形化半導體特性手冊】。


再進一步,通過能帶理論分析。


導體中價電子沒有充滿所在能帶,而半導體與絕緣體的價電子都完全佔據所在能帶【第三代半導體材料】。由於能帶被完全充滿,要導電則必須躍遷到上一個能帶,這中間就是禁帶,對應的能量叫做禁帶寬度。但是禁帶寬度小一點的,在室溫/電壓的作用下電子還是可以跨越這個禁帶,從而自由運動,具有導電性。所以,常常把禁帶寬度為2eV左右的材料叫做半導體,實際上隨著第三代半導體(寬禁帶半導體)的提出,相應的禁帶寬度為6.2eV的AlN都被視為半導體,距離將最後的帶隙為9eV的絕緣體SiO2轉變為半導體也就只有一步之遙。


那麼實際上,半導體與絕緣體的沒有本質的不同。導體的對面,是非導體;非則代表了多種多樣的情況:什麼溫度、什麼壓力、什麼電壓、什麼磁場等等下,才不是導體,或者才是導體。只要有帶隙,就是絕緣體;但是,在一定的外界條件下,可以將絕緣體轉化為導體;如果這個條件是能夠利用的,能夠用於電子電器行業的,就將這一類絕緣體成為半導體(Semi-conductor)。


Semi-conductor直譯應該是準導體,切合能轉化為導體這一特性。通過N摻雜使得碳化矽電阻率降低為導電襯底,可是碳化矽還是第三代半導體嘛。

Semi-insulator含義與半導體相同,直譯應該是準絕緣體,切合能轉化為導體這一特性。高純碳化矽的電阻率極低,可是注入一些粒子就可以改變局部電導率,所以是第三代半導體嘛。

註:並不成熟的理解,求輕噴。


但實際上,我們不會單一使用一種材料的能帶,而是將不同材料組合或者摻雜,形成我們所需的能帶結構來控制。比如說,P型半導體+N型半導體組成的PN結。比如說,P型半導體+N型半導體+導體+絕緣體組成的MOSFET。


那麼,最貼合半導體的概念就是具有帶隙的物質了。而半導體材料則是帶隙可用於服務生產生活的物質。不是所有的帶隙都是可以使用的,而且就算可以用,還必須要比現在商用的這些材料更具有優勢才行。


但是實際使用中,概念常常會混用。比如,半導體行業裡面,半導體一般指集成電路(IC,Integrated Circuit)。而IC又常常用來表示晶片(Integrated Circuit Chip)。


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