半导体材料有哪些? 解析半导体材料的种类和应用

半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。很多人一直有疑问，半导体材料有哪些? 半导体材料有哪些实际运用?今天小编精心搜集整理了相关资料，来专门解答大家关于半导体材料的疑问，下面一起来看一下吧!

一、半导体材料有哪些?

常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等，以硅、锗应用最广。化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。二元系化合物半导体有Ⅲ-Ⅴ族(如砷化镓、磷化镓、磷化铟等)、Ⅱ-Ⅵ族(如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等)、Ⅳ-Ⅵ族(如硫化铅、硒化铅等)、Ⅳ-Ⅳ族(如碳化硅)化合物。三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体，如镓铝砷固溶体、镓锗砷磷固溶体等。有机化合物半导体有萘、蒽、聚丙烯腈等，还处于研究阶段。

此外，还有非晶态和液态半导体材料，这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

　　二、半导体材料主要种类

半导体材料可按化学组成来分，再将结构与性能比较特殊的非晶态与液态半导体单独列为一类。按照这样分类方法可将半导体材料分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态与液态半导体。

1、元素半导体：在元素周期表的ⅢA族至ⅦA族分布着11种具有半导性半导体材料的元素，下表的黑框中即这11种元素半导体,其中C表示金刚石。C、P、Se具有绝缘体与半导体两种形态B、Si、Ge、Te具有半导性Sn、As、Sb具有半导体与金属两种形态。

2、无机化合物半导体：分二元系、三元系、四元系等。 二元系包括：①Ⅳ-Ⅳ族:SiC和Ge-Si合金都具有闪锌矿的结构。

　　3、有机化合物半导体：已知的有机半导体有几十种，熟知的有萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，它们作为半导体尚未得到应用。

　　4、非晶态与液态半导体：这类半导体与晶态半导体的最大区别是不具有严格周期性排列的晶体结构。

　　三、半导体材料实际运用

制备不同的半导体器件对半导体材料有不同的形态要求，包括单晶的切片、磨片、抛光片、薄膜等。半导体材料的不同形态要求对应不同的加工工艺。常用的半导体材料制备工艺有提纯、单晶的制备和薄膜外延生长。

半导体材料所有的半导体材料都需要对原料进行提纯，要求的纯度在6个“9”以上，最高达11个“9”以上。提纯的方法分两大类，一类是不改变材料的化学组成进行提纯，称为物理提纯另一类是把元素先变成化合物进行提纯，再将提纯后的化合物还原成元素，称为化学提纯。物理提纯的方法有真空蒸发、区域精制、拉晶提纯等，使用最多的是区域精制。化学提纯的主要方法有电解、络合、萃取、精馏等，使用最多的是精馏。由于每一种方法都有一定的局限性，因此常使用几种提纯方法相结合的工艺流程以获得合格的材料。

绝大多数半导体器件是在单晶片或以单晶片为衬底的外延片上作出的。成批量的半导体单晶都是用熔体生长法制成的。直拉法应用最广，80%的硅单晶、大部分锗单晶和锑化铟单晶是用此法生产的，其中硅单晶的最大直径已达300毫米。在熔体中通入磁场的直拉法称为磁控拉晶法，用此法已生产出高均匀性硅单晶。在坩埚熔体表面加入液体覆盖剂称液封直拉法，用此法拉制砷化镓、磷化镓、磷化铟等分解压较大的单晶。悬浮区熔法的熔体不与容器接触，用此法生长高纯硅单晶。水平区熔法用以生产锗单晶。水平定向结晶法主要用于制备砷化镓单晶，而垂直定向结晶法用于制备碲化镉、砷化镓。用各种方法生产的体单晶再经过晶体定向、滚磨、作参考面、切片、磨片、倒角、抛光、腐蚀、清洗、检测、封装等全部或部分工序以提供相应的晶片。

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高纯半导体材料是指室温下导电性介于导电材料和绝缘材料之间的一类功能材料。根据查询相关资料显示，高纯半导体是一种材料的的导电能力介于导体和绝缘体之间，并有负的电阻温度系数的材料。这种材料在某个温度范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。常用的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。元素半导体是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒等，以硅、锗应用最广。

痕量分析的常用方法分述如下：化学光谱法常用于测定高纯材料中痕量杂质，对分析99.999～99.9999%纯度材料,效果好，测定下限可达μg至ng级。此法须先用液-液萃取、挥发、离子交换等技术分离主体，富集杂质，再对溶液干渣用高压电火花或交流电弧光源进行光谱测定；或在分离主体后，把溶液浓缩到2～5ml，用高频电感耦合等离子体作光源进行光谱测定。中子活化分析法高纯半导体材料的主要分析方法之一。用同位素中子源和小型加速产生的通量为1012厘米-2·秒-1以上的中子流辐射被测定样品。中子与样品中的元素发生核反应，生成放射性同位素及γ射线。例如Si+n→Si+γ。用探测器和多道脉冲高度分析器来分析同位素的放射性、半衰期及 痕量分析有关图书γ射线能谱，就能鉴定出样品中的痕量元素。中子活化分析法的主要优点是灵敏度高于其他痕量分析方法，可在ppm或ppb的范围内测定周期表中的大部分元素；使用高分辨率的Ge(Li)半导体探测器和电子计算机可显著提高分析速度；样品用量少并不被污染和破坏；同时能分析多种元素。对于中子吸收截面非常小，产生的同位素是非放射性的、或放射性同位素的半衰期很长或很短的元素，不能用此法分析。质谱法利用射频火花离子源双聚焦质谱计测定高纯度材料中痕量杂质，其优点是：灵敏度高，测定下限达μg至ng级，一次可分析70多个元素。如有标样，可进行高纯金属和半导体定量分析、粉末样品或氧化物（制成电极后需镀导电高纯银膜）的分析；如无标样，采用加入内标元素的方法也可进行定量分析。若粉末样品或溶液样品的分析与同位素稀释法技术结合，可不需标样进行定量分析，并可提高分析的灵敏度和准确度。分光光度法用被测定元素的离子同无机或有机试剂形成显色的络化物，元素的测定下限可达μg至ng级。在无机痕量分析中还常用化学荧光（发光）法测定某些元素,例如Ce、Tb、Ca、Al等。新合成有机荧光试剂,如吡啶-2，6-二羧酸，钙黄绿素等，都有良好的选择性和灵敏度，测定下限小于0.01μg。原子吸收光谱法有较好的灵敏度和精密度，广泛应用于测定高纯材料中的痕量元素。用火焰原子吸收光谱进行分析时，除用空气-C2H2火焰外,还可用N2O-C2H2火焰以扩大分析元素的数目。近年来，又发展出无火焰原子吸收光谱法，把石墨炉原子仪器应用于痕量元素分析。原子吸收光谱分析由于化学组分干扰产生系统误差，也由于光散射和分子吸收产生的背景信号干扰，短波区比长波区大；无火焰法比火焰法严重。为提高痕量元素测定的可靠性，采用连续光源氘灯和碘钨灯等以及塞曼效应技术校正背景，并与阶梯单色仪相结合以改进波长的调制，效果更好。此外，痕量分析中还应用原子荧光技术。极谱法采用电化学分析法进行痕量元素测定，除用悬汞电极溶出伏安法测定 Cu、Pb、Cd、Zn、S等元素外，近年来发展了玻璃碳电极镀金膜溶出伏安法测定某些重金属元素。另外用金(或金膜)电极测定As、Se、Te、Hg等元素。膜溶出伏安法可进行阳极溶出，也可进行阴极溶出,测定下限可达1～10ng，将溶出伏安法与微分脉冲极谱技术相结合，可大大提高灵敏度和选择性。痕量分析主要应用于地球化学、材料科学、生物医学、环境科学、表面科学以及罪证分析等领域。

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