(宽禁带)半导体杂谈

半导体

半导体，从现象上看，它的电阻率范围很宽，大约为10-⁴~10⁹Ω•cm，介于金属和绝缘体之间，并在高温条件下，随着温度的升高而降低；还有其他一些相关的特性，光谱灵敏度、整流效应等，有些特性都取决于其中的微量杂质。在20世纪三四十年代，对半导体有了一些理解之后，开始习惯于用能带模型和杂质能级来解释半导体中观察到的现象。在器件应用中最重要的一点是，在宽的温度范围内，其电导率可用杂质控制，这儿有两种类型的杂质：施主释放电子，形成n型电导率，受主提供正的载流子，即空穴，形成p型电导率，这样也就构成了我们在半导体器件中几乎都会遇到的一个结——PN结。

制造功率器件的半导体必须有足够宽的能隙或者”禁带宽度“，以确保在没有掺杂的情况下，在一个足够好的温度下，本征载流子的浓度低于最轻掺杂区的掺杂浓度(这是掺杂结构有效保持不变的前提)。足够宽的禁带宽度在其他方面也是有利的，因为临界电场强度随禁带变宽而增加，在该临界电场强度下，材料能够经得住而不被击穿。当然，"双刃剑"一直都会在，过宽的禁带会有不利的一面，因为杂质的电离随禁带宽度增加而变得更大，因此它们在室温下只能释放少量载流子。而且，自建电势和门槛电压也会随着禁带宽度的增大而变得更高。

对于半导体来说，另一个必不可少的要求就是足够高的自由载流子迁移率，迁移率决定了器件的最大允许电流密度。

禁带

现在谈论新型半导体材料，如SIC，GaN等都会说到一个词，"宽禁带"。那到底什么是禁带呢？下面我们就来简单的聊一聊。

禁带的产生是因为半导体原子的所有价带电子要求有完整的共价键，也因为电子必须要有一定的能量才能够摆脱共价键的束缚而自由运动，从而形成电流。可以用能带图来表示，如下：

它展现了电子能量与空间坐标的关系，价带里的电子处于被共价键束缚的状态，导带则表示自由导电时的电子状态。在价带顶Ev和导带底Ec之间没有能级出现，而Eg=Ev-Ec就是我们所说的禁带。

我们所说的"本征"半导体指的就是它的性质没有受到杂质的影响，而是由半导体自身形成的。为了让电子摆脱共价键的束缚，形成自由导电电子，无论如何能量Eg是必须的。在热力学温度0K的时候，没有一个价带电子有这么样的能量，当然这里排除外部激活的可能，因为没有载流子的存在，半导体的性能就跟绝缘体差不多了。在温度大于0时，一定数量的价带电子跃迁到导带中，这个过程，不仅差生了导电的电子，还形成了相等数量的空的电子位置留在价带中，这就形成了我们所说的"空穴"。空穴同样可以传导电流，因为失去了价带电子，空穴也就有了相反的极性，即正电荷。因为在电场的作用下，空的位置反复地被相邻地价带电子所填充，空穴向电子地相反方向运动。

半导体的杂谈

用于功率器件的半导体，比如说硅(Si)，总是以单晶形态存在的晶体，这是因为，首先只有单晶才能保证器件在阻断偏置下的空间电荷是单一的，并在禁带中有尽可能少的能级。只有在这些条件下，高的阻断电压和低的漏电流才有可能。其次，载流子的迁移率在单晶体中比在多晶体中高得多，这才符合较高电流密度和较小器件体积得要求。

从多晶材料到单晶材料演变得好处，我们可以借助第一代商业半导体整流器所用得多晶硒(Se)来稍微理解下。这些整流器大概出现于1940~1970年之间，最高得电流密度1A/cm²，每单元阻断电压最高只有40V，为了达到给定得电流和电压，就需要相当大面积得封装。而硅二极管取代硒整流器(和锗Ge二极管)始于20世纪50年代，它的电流密度和阻断电压比Se和Ge的高出两个数量级以上。

现代半导体时代开始于20世纪40年代末，伴随着超纯单晶Ge的出现和对于pn结技术上的突破，以及晶体管的发明而到来。用Si取代Ge是在20世纪50年代，当今，对于功率半导体，Ge已经不再那么重要了，它的主要缺点是，禁带宽度相对较小，只有0.67eV(在300K时)，导致其允许的工作温度很低(约70℃)。Si则是目前最常见的用于半导体器件的材料，禁带宽度为1.1eV和其他特性导致其很适合大多数的应用需求。

化合物半导体

砷化镓(GaAs)：这种半导体对于微波器件来说很适用，因为它的开关频率高，禁带宽度有1.4eV，并具有很高的电子迁移率，是Si的5倍左右。在功率器件的领域中，高的电子迁移率使它适用于做高压肖特基二极管。

碳化硅(SiC)：目前比较热门的化合物半导体材料，针对它的研究从未使它经常被称为功率器件的理想材料。SiC由于其禁带宽度范围大，从2.3eV和3.3eV，这取决于结晶形成的变化，导致它的最高结温和临界电场强度比Si高得多。SiC的特性使其变得很优越，但是由于金属接触的性质和封装的限制，使其不能充分被利用，但是高临界电场确实有利于应用的扩展。目前，大部分半导体厂家都相继有SiC的产品出来，相对于Si来说，SiC拥有较高的结温，高的开关频率以及低的开关损耗等优势，但由于制造技术等其他因素的限制，目前SiC还处于很年轻的状态。

氮化镓(GaN)：其禁带宽度有3.4eV，具体的应用可以去百度详细了解下(说实话，我也不是太了解，后期会去关注，欢迎大家交流)。

未来可能用于功率器件的热门材料——碳的金刚石结晶体，其禁带宽度有5.5eV。其实已经有了肖特基二极管样品，但是估计还需要一个很长的时间才有可能走进我们的视野。

今天主要聊了聊有关半导体的一些内容，关于宽禁带半导体材料的研究结果实在是太多了，目前我觉得还是关注于SiC的器件比较合适，毕竟各大厂家都已经出来了较为成熟的产品，工作中，我们可以在实践中来探讨它的特性。

希望你们能够喜欢，谢谢！