半导体材料的性能分析及其应用
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摘 要 材料的进步对社会的变革是巨大的，历史上任何一种新的材料发现和应用都会极大地促进社会的发展。半导体是重要的电子材料，在电子领域得到了广泛的应用。文章系统地分析了半导体材料的性能，对半导体材料在社会生活中的应用做了阐述。
关键词 半导体材料；性能；应用
中图分类号 [TM23] 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）229-0199-02
当今社会发展的三大推动力是能源、材料和信息。其中以半导体为代表的电子材料的发现和应用都是时代关注的重点。半导体材料在生产生活中的应用极大地提高了生产效率，降低了生产成本。同时促进了工业、农业、商业、科技、教育、卫生以及生物工程、航空航天等各个领域的全面发展。极大的提高了国家的科技水平和经济实力，正是因为半导体材料在生产实践中发挥了巨大的作用，所以我们更应该对于半导体材料的性能和应用有清晰的认识，以保障在未来的科技进步和社会发展中能够更好地发挥半导体材料的作用。
1 半导体的分类
自然界的物质和材料千千万万，如果按导电能力划分，可以将所有的物质分为导体、半导体和绝缘体三种。其中半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，其电阻率在1mΩ/cm～1GΩ/cm之间。半导体可以用来做半导体器件和集成电路的电子材料。依据半导体材料的化学成分，可以将半导体分为元素半导体、无机化合物半导体、有机化合物半导体和非晶态半导体[ 1 ]。
2 半导体材料的性能
2.1 元素半导体
元素半导体是指半导体材料由单一化学元素构成，在元素周期表有12种具有半导体性质的元素。中S、P、As、Sb和I元素都不太稳定，容易发挥；灰Sn在室温下会转变为白Sn，白Sn已经属于金属；B、C元素的熔点太高，制成单晶的过程十分困难；Te元素十分稀缺，无法大量用于半导体器件的制作。这样只剩下Se、Ge和Si三种元素适用于半导体材料应用。Se曾主要被用于制作电池和整流器，后被淘汰，现在Se在非晶半导体器件领域还有使用；Ge曾在晶体管发明出来后迅速兴起，后来被性能更好的Si所替代，现在Ge只在低压、低频、中功率晶体管和光电探测器等分立元件中还有使用；而Si一直作为半导体的主要材料。这是由3方面因素共同导致的：一是地壳中Si含量27%，存储量极其丰富，而且元素的提炼和结晶也十分方便，有大规模应用的条件；二是Si的禁带宽度是1.12eV，相对于其他半导体材料更加能适应高温工作；三是由于SiO2膜具有纯化和掩蔽作用，纯化作用可以大大提高半导体器件的稳定性和可靠性，掩蔽作用推动了半导体器件制作实现了平面工艺，为大规模自动化的工业生产和集成化创造了条件[2]。
2.2 无机合成物半导体
除了由单一元素构成的半导体材料，还有多种元素构成的半导体材料，这就是化合物半导体，具有半导体性质的主要有Ⅰ族与Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ族；Ⅱ族与Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ族；Ⅲ族与Ⅴ、Ⅵ族；Ⅳ族与Ⅳ、Ⅵ族；Ⅴ族与Ⅵ族；Ⅵ族与Ⅵ族的结合化合物，但是由于全球储存量、元素特性和制作难度等因素的影响，并不是每一种化合物都能作为于半导体材料，使用比较多的是GaAs和InP。GaAs的禁带宽度为1.43eV，拥有比Si更高的适应温度，电子迁移率是Si的6倍，因此常被用来制作高速器件。InP的许多性能甚至比GaAs更好，它的电子迁移率更高，更耐辐射，导热性好，可以应用在光化学蚀刻上，频率高，击穿场强高，用InP制造的晶体管的速度比其他材料都高，是目前用来制造结型场效应晶体管、高频器件、抗核辐射器件以及光电集成电路的最佳基础材料。此外还有的热导率高，禁带宽度宽的碳化硅，它在紫外光探测器和荧光LED等方面广泛应用。
2.3 有机合成物半导体
有机化合物是指含分子中含有碳键的化合物，在一些有机化合物中与碳键垂直的方向上，会存在л电子云重叠而成的导带，通过化学或电化学掺杂，载流子能容易地进入能带，使电导率发生巨大变化，从而形成有机化合物半导体。有机物化学半导体相比于无机化合物半导体有明显的优势，有机化合物不但价格低廉，更容易溶解，材料重量更轻，加工过程更容易。更重要的是，能够通过控制分子来控制导电性能，这使得有机化合物半导体具有更广泛的用途。目前对于有机化合物半导体的研究主要集中在材料和器件上，如有机薄膜、有机太阳能、有机照明等[3]。
2.4 非晶态半导体
非晶态物质的主要特性就是长程无序短程有序。相同的材料，晶态和非晶态时的性能会有很大的变化，所以非晶态半导体相对比较难以控制。直到α-Si膜可控掺杂技术发明和硫系非晶半导体开关及贮存特性的发现，才使得非晶态半导体真正开始走向实用化。现在的非晶态半导体制作工艺简单，能够实现在任意衬底上成膜，更容易实现大面积工程使用，对于光的吸收系数也比其他材料更大，目前主要应用于太阳能电池、大面积液晶显示屏等？领域。
3 以应用领域为视角的半导体应用
3.1 半导体材料的光伏应用
半导体材料的光生伏特效應是太阳能电池运行的基本原理。现阶段半导体材料的光伏应用已经成为一大热门，是目前世界上增长最快、发展最好的清洁能源市场。太阳能电池的主要制作材料是半导体材料，判断太阳能电池的优劣主要的标准是光电转化率，光电转化率越高，说明太阳能电池的工作效率越高。根据应用的半导体材料的不同，太阳能电池分为晶体硅太阳能电池、薄膜电池以及Ⅲ-Ⅴ族化合物电池。
3.1.1 晶体硅太阳能电池
晶体硅太阳能电池主要用到的半导体材料是晶体硅，它是目前世界上半导体材料光伏中最成熟的主导产品。其中单晶硅电池的最高转化效率为FZSi单晶电池创造的24%，商品单晶硅电池的转化效率一般为14%～17%。多晶硅电池中的最优秀者是转化效率达到19.8%的MC-Si电池，商品MC-Si电池的转化效率一般在12%～14%，这种太阳能电池占据了晶体硅一半以上的市场份额。带状Si电池相对出现的比较晚，它在制作过程中不需要经过切片过程，因此提高了材料的利用效率，目前最高的转换效率是蹼状法带状Si电池制造的17.3%。 3.1.2 薄膜电池
薄膜电池相比于晶体硅更能降低生产成本，其中非晶硅（a-Si）电池是最早实现商品化的薄膜电池，目前最好的转化率为13%。多晶和微晶硅电池的有源区比较薄，可以保证在材料质量下降的同时维持器件性能不变，其中最高的转化效率是23.7%。
3.1.3 Ⅲ-Ⅴ族化合物电池
Ⅲ-Ⅴ化合物电池的抗辐射性能好，转化效率高。这种太阳能电池主要用到GaAs材料，这是最理想的半导体光伏材料，目前在单晶衬底上生长的单结电池的光电转化效率已超过25%。是转化率最高的太阳能电池。
3.2 半导体材料的照明应用
LED是建立在半导体晶体管上的半导体发光二极管，采用LED技术的半导体光源体积小，可以实现平面封装，工作时发热量低、节能高效，产品寿命长、反应速度快，而且绿色环保无污染，还能开发成轻薄短小的产品，一经问世，就迅速普及，成为新一代的优质照明光源，目前已经广泛的运用在我们的生活中。如交通指示灯、电子产品的背光源、城市夜景美化光源、室内照明等各个领域，都有？应用。
3.3 在大功率电源转换中的应用
交流电和直流电的相互转换对于电器的使用十分重要，是對电器的必要保护。这就要用到等电源转换装置。碳化硅击穿电压强度高，禁带宽度宽，热导性高，因此SiC半导体器件十分适合应用在功率密度和开关频率高的场合，电源装换装置就是其中之一。碳化硅元件在高温、高压、高频的又一表现使得现在被广泛使用到深井钻探，发电装置中国的逆变器，电气混动汽车的能量转化器，轻轨列车牵引动力转换等领域。由于SiC本身的优势以及现阶段行业对于轻量化、高转换效率的半导体材料需要，SiC将会取代Si，成为应用最广泛的半导体材料。
4 结论
半导体领域是一个广泛的知识技术领域，本文只能简单的对半导体材料的分类、性能和应用进行简单阐述，实际上的半导体类型划分更加细致，应用更加复杂，同时存在着材料上的优胜劣汰，产品上的更新换代，将来随着半导体材料的技术突破，更多优质廉价的半导体材料应用到生产生活中，人类社会又将迎来一场技术变革。
参考文献
[1]陈彩云，徐东.半导体材料的应用研究进展[J].山东工业技术，2016（9）：219.
[2]周高还.有机半导体材料性能研究与应用前景[J].电子工业专用设备，2015，44（11）：25-27，31.
[3]戴英杰.半导体材料在传感器中的应用[J].吉林工程技术师范学院学报，2007（9）：63-64.
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