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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具有高电导率的材料，在电工设备中用作导体，如铜、铝等，其典型制品是电线、电缆的导电线心。属于导电材料的还有用于制造电触头、温差电偶、熔丝等的材料。这些材料除电导率高外，还有一些另外的特殊性能，例如制造熔丝的材料需要具有相对低的熔点；触头材料需要高的耐电弧性能等。高电阻合金如镍铬、铬镍铁、锰铜、康铜也属于导电材料，可用作加热元件，将电能转化为热能，或用于制造电阻器。石墨是一种特殊的导体，虽然电导率低，但由于它的化学惰性和高熔点，以及它的制品具有低的摩擦系数、一定的机械强度，被广泛地用作电刷、电极等。属于导电材料的还有低温导电材料和超导材料。例如，纯铝在20k下,即液氢温度范围中是最好的低温导电材料；而铍在77k左右,即液氮温度下电阻率也只有常温下的千分之一到万分之一以下。超导材料一般在接近0k的温度下工作，其电阻率已测不出。80年代已发现上千种超导材料，其中有元素类，也有化合物。较为实用的是nb3sn、nb3al 等。 1986年发现的钡、钇、铜、氧化物陶瓷在液氮温度(77k)即具有超导性， 这将对超导电技术的普及，甚至对人类文明产生深远影响。 电导率介于导电材料和绝缘材料之间，约为105～10-7西/米的材料。对于电子（空穴）电导也可按能带理论的禁带宽度来定义,其值约为0.08～3电子伏（也有人认为其上限应为1.5或2电子伏）。半导体与导体相比，除电导率小外，其电导率随温度升高而增大，而导体的电导率随温度升高而下降。半导体的性质随缺陷和杂质含量而显著变化，所以可利用掺杂来控制其性能。例如硅、锗中掺入磷、砷、锑等元素可制成电子型(n型)半导体， 掺入硼、铝、镓、铟等元素可制成空穴型（p型）半导体。利用 n型和p型的不同组合，可获得整流和放大作用，在电工中作为电源和控制、调节之用。半导体的电导率对外界因素极为敏感，在其作用下可观察到一系列物理现象。例如在不同波长的光照下能产生光电效应，这时电子吸收光能，导致自由载流子浓度增大，从而电导率增大，称为光电导性。利用这一性质，可制成光敏元件。此外，还有热电效应、霍耳效应、磁阻效应、压电效应、场效应和隧道效应等都可加以利用。半导体可以按化学组分分为有机的和无机的两类，主要使用无机半导体。无机半导体可进一步分为元素型和化合物型。后者按组分元素又可分为二元、三元等发展迅速。半导体也可按其结构形态分为结晶半导体和非晶态半导体。一般多使用前者，但70年代以来正在大力开发后者。 电阻率约为 1010欧米以上的材料。实用中优良绝缘材料的电阻率在室温下都大于1012欧米。通常所用的绝缘材料都含有杂质，在工作温度下的电阻或电导属离子型。对于电导属电子型的绝缘材料，一般认为禁带宽度在2～3电子伏以上。电介质材料的特点是其在电场中能发生极化。由于电介质多数是优良的绝缘材料，两者经常作为同义词使用。绝缘材料常按其聚集状态而分为固态、液态和气态。绝缘材料多数属于固体。液态和气态绝缘材料一般不能起力学上的支撑作用，所以较少单独使用。气体绝缘材料的特点是电导率、介电常数和介质损耗均低，击穿强度一般比液体和固体绝缘材料也低得多，但击穿后能自行恢复绝缘状态，具有自愈性。六氟化硫气体(sf6)具有较高的击穿强度,广泛用作封闭式电器的绝缘。液体绝缘材料一般用来替代空气，填充电气设备中的空间，或浸渍设备绝缘结构中的孔隙。除了绝缘作用，它还可以起散热或灭弧作用。在选择液体绝缘材料时应考虑它在电场作用下的稳定性、热稳定性、粘度、闪点、酸值、碱值、杂质含量、水含量、热膨胀系数以及与其他绝缘和结构材料的相容性等。应用最多的液体绝缘材料是矿物绝缘油。为了保证液体材料成分的纯净，发展多种合成绝缘油，如高温下使用的硅油以及十二烷基苯等。固体绝缘材料可以分成天然的和合成的。天然的有棉纱、丝绸、纸、虫胶、沥青、矿物油、橡胶、石棉、云母等,在19世纪已开始用于电工设备。合成材料,特别是高分子材料，在20世纪得到迅速发展。原因在于高分子材料的绝大多数具有高电阻率，并且高分子材料（包括塑料、合成橡胶和合成纤维等许多品种）能满足多种使用场合的要求。高分子材料与相应的天然材料相比有着更为优异的介电性能、力学性能和耐高温性能，在绝缘材料中占有重要地位。重要的高分子材料有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚四氯乙烯、聚酯和不饱和聚酯、环氧树脂、有机硅树脂，以及聚酰亚胺为代表的芳杂环高分子材料等。在无机绝缘材料方面，也有重大的进展。例如，制成了粉云母纸，解决了云母资源的不足；玻璃纤维布的出现，使纤维的耐热等级大大提高；陶瓷品种的发展满足了高机械强度、高温度和高介电常数的要求。由于超导技术的迅速发展，低温电工材料也相应取得重大进展。低温电绝缘漆胶和粘合剂，电工薄膜和层压制品以及低温无机绝缘材料，如玻璃、石英、陶瓷等，都有很大发展。 电工中应用的磁性材料主要有铁磁性材料和铁氧体。按其矫顽力可分为软磁材料和永磁材料两大类。软磁材料用于交变磁场，而永磁材料用于静态磁场。按材料组成可分成金属和非金属两种。前者有fe、co、ni、gd及其合金，也可包括稀土类元素,如rco5,其中 r为稀土元素sm、ce和pr。非铁磁元素的合金也可以成为铁磁材料，例如mn、cu和al等。非金属型材料有铁氧体，它具有磁畴结构，能自发磁化而具有铁磁性。铁磁性材料具有磁滞回线，在交变磁场中造成损耗，必须设法降低。交流磁场作用下引起的涡电流，也会造成损耗。两种损耗统称铁耗，都造成设备发热，这在高频率下特别突出。铁氧体的铁耗在高频下特别小，成为适用于高频的磁性材料。磁性材料的某些特殊性能还可用于特殊场合。例如具有直角磁滞回线的材料可以用作磁记忆材料。某些磁性材料在磁场强度变化时其几何尺寸发生变化，称为磁致伸缩材料，可用于超声发生器和接收器及机电换能器中，用以测量海洋深度、探测材料的缺陷等。

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