固体物理学基础PRE关于半导体物理的学习我们首先要对半导体有一个基础的认识即什么是半导体为什么需要半导体我们不妨从更直观且常见的导体、绝缘体入手而半导体从某种程度上也源于导体、绝缘体的局限性所催生出的更为可控的“载体”。1导体conductor导体(Conductor)是指电阻率很小且易于传导电流的物质。导体中存在大量可自由移动的带电粒子称为载流子。在外电场作用下载流子作定向运动形成明显的电流。金属是最常见的一类导体。2半导体semiconductor半导体semiconductor指室温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。 半导体材料导电性能可通过掺杂来改变掺杂进入本质半导体的杂质浓度与极性皆会对半导体的导电特性产生很大影响。3绝缘体insulator不善于传导电流的物质称为绝缘体Insulator绝缘体又称为电介质。它们的电阻率极高。绝缘体的定义不容易导电的物体叫做绝缘体。 绝缘体和导体没有绝对的界限。绝缘体在某些条件下可以转化为导体。半导体顾名思义其介于导体与绝缘体之间导电能力一般情况下依照导电能力的强弱划分对应区间如导体 (≤10^-3 Ω·cm) ~半导体 (10^-3 Ω·cm~10^9 Ω·cm) ~绝缘体 (≥10^9 Ω·cm)为什么需要半导体导体在实际生活中最广泛的应用莫过于进行能量的传输如金属铜作为电缆的常见材料组成部分此时我们知道人体本身也是导体人身体最大占比的水等在直接接触导电的物体时我们不会如影视中的桥段那样变成闪电侠或者沙赞而往往会变得外焦里嫩实则更惨、大家要安全用电。所以我们需要绝缘体来隔绝与导体的直接接触这个时候也就是我们常见的塑料、橡胶等作为电缆外层的隔离部分。从更加科学的角度去解释两者之间的差异则是导体中存在可以自由移动的电子空穴即在外加电场作用下存在能量状态的变化、也存在分布情况的变化。从能级的角度可以看作导体中价带Ev和导带Ec间的间距很小即自由电子在室温情况下27℃/300K就足以使其摆脱原子核的束缚完成跃而绝缘体其组成元素的核外电子被紧束缚在原子核周围导带和价带间的禁带Eg宽度较大自由电子难以在不施加高能外电磁场的作用下完成跃迁即更加稳定。那么初步了解了导体及绝缘体的基本性质后半导体材料会具有怎么样的性质呢1半导体导电能力会随温度变化而变化eg对于纯Si从20℃→30℃其电阻率减小一倍2半导体会因掺杂而显著改变导电能力eg在晶体中每一百万个Si原子中掺入1个杂质原子ⅢA/ⅤA等则在室温下27℃其电阻率会由214000Ω·cm降至0.2Ω·cm此时导电能力显著变化但晶体中Si的纯度仍有99.99%以上3半导体会受到电场、磁场以及光照的影响而改变导电能力eg淀积在绝缘基片上的硫化镉CdS薄膜其在无光照的情况下的电阻值暗电阻几十兆欧在光照下约为几十千欧由此我们可以对半导体做一个初步的总结半导体是一种其自身性质容易受外界的光、热、磁、电以及微量杂质含量变化而显著变化的材料PS:半导体及其迭代第一代半导体由单一元素构如Si硅、Ge锗等特性工艺成熟、成本低廉电子迁移速率一般耐高温、耐高压性能弱典型应用集成电路、芯片、计算机处理器、存储芯片、普通晶体管是当下消费电子、数字电路的基础材料第二代半导体化合物半导体GaAs砷化镓等特性电子迁移速度快高频性能优异但禁带宽度小耐高温、高压能力不足典型应用5G 射频器件、光纤通信光模块、卫星通讯、手机射频芯片、红外探测器第三代半导体GaN氮化镓、SiC碳化硅等特性禁带宽、耐高压、耐高温、高频、低损耗、抗辐射功率性能大幅领先前两代典型应用新能源汽车车载功率器件、快充充电器、光伏逆变器、高压电网、雷达、航空航天装备