半导体材料趋势的理化解读

本文我们利用理化框架解释半导体材料为何用于芯片和半导体材料的发展趋势问题。

1、半导体为什么能用于做芯片？

计算机的底层架构是由0，1组成的逻辑电路，计算机的正常运行依赖于底层逻辑电路的正确指令。对于逻辑电路而言，绝缘体发出的指令是0，导体发出的指令是1，半导体的单向导电性很好地匹配了传递0，1的需求。

2、PN结决定半导体的单向导电性

二极管是由PN结组成的。顾名思义，PN结是分为P端和N端，其中P端是富含空穴端，而N端是富含电子端。

举个例子，如第二代半导体中的GaAs，其中Ga是第IIIA族的元素，其最外层包含3个电子，小于成键所需的4个电子，因此为富含空穴、电子密度较小的P端；而As是第VA族的元素，其最外层包含5个电子，大于成键所需的4个电子，因此为富含电子的N端。

正因为PN结两端电子密度不同的结构特性，半导体才具有单向导电性：在正常使用半导体的情况下，电子只能从电子密度较大的N端扩散到电子密度较小的P端，即电流方向是从P端到N端。

3、能带理论解释半导体材料趋势

区分第一、二、三代半导体的主要根据是禁带宽度，禁带宽度需要根据能带理论作出解释。

能带理论认为化学物质体系中的电子并不是定域电子，而是存在于整个体系中的离域电子。就金属而言，形象地说，离域电子也可以被称为“电子气”。由于众多原子轨道之间的耦合作用，整个体系形成了能量不连续的分子轨道。这些分子轨道可分为满带、价带、禁带、导带和空带。

针对半导体材料而言，价带为满带中能量最高的轨道，而导带为空带中能量最低的轨道。根据量子力学的观点，各轨道能级的能量是不连续的，但是在满带中，各能级的能量差非常微小，因此可将其视为能量连续的轨道；而满带与空带之间的能量差异较大，从而形成了禁止电子存在的禁带。

禁带理化参数的不同是不同半导体之间出现性能差别的重要因素，这一部分将在反向击穿电压部分展开叙述。

4、反向击穿电压：禁带宽度越大，功率越高

半导体具有单向导电性，这也是半导体能作为逻辑电路传递0，1信号的重要原因。但是，半导体的单向导电性并不是在任意电压范围内都存在的，当电压高于了某一阈值，半导体就会被反向击穿，换言之，就是其单向导电的特性就不复存在了，自然也不能作为底层架构为计算机传递0，1信号了。

这一电压，在不发生雪崩击穿的时候，提供的能量应该恰好等于价带电子逾越禁带进入导带所需的能量。换言之，禁带宽度越大，其所能承受的电压越大，功率越高。

雪崩击穿：当材料发生雪崩击穿时，其所承受的电压小于正常击穿时的电压，因为雪崩击穿正如其名字所述，是电子的连锁反应，其能量会通过连锁效应被大大扩大。

5、原子半径越小，化学键极性越强，禁带宽度越大

禁带宽度受材料本身特性的影响，其主要因素为：1.原子半径；2.化学键的极性。

其中原子半径越小，其对自身电子的束缚能力就越强，禁带宽度就越大。例如，GaAs和GaN这两个材料的禁带宽度主要就是由原子半径引起的，As和N均属于第VA族的元素，N是在第二周期，而As是在第四周期，N的原子半径较小，其禁带宽度较大，故其可作为第三代宽禁带半导体。

化学键的极性越强，其对电子的束缚能力越强，材料的禁带宽度越大。例如，GaAs和Si这两个材料禁带宽度不同的主要原因就在于键的极性，Si是单质，其化学键不存在极性，而GaAs两个元素的电负性存在差异，故其化学键存在极性，其禁带宽度较Si而言更大。

6、就目前来看，硅基半导体为什么没有被取代？

目前技术成熟的单晶硅半导体中掺杂了N型杂质和P型杂质，以增加其半导体的导电性。而第二三代半导体直接使用了N型和P型结合的化合物半导体，其拥有比第一代更大的禁带宽度，但是到目前为止，第二三代半导体只能作为对第一代半导体的补充，而不能取而代之，原因在于，第一代半导体拥有极其成熟的制造工艺，其成本优势明显。除此之外，硅基半导体结构的稳定性也是第二三代化合物半导体无法取代的。

7、半导体中电子迁移率：直接带隙材料，电子迁移率和效率更高

对于不同半导体的性能而言，电子迁移率是一个重要的评价因素。电子迁移率的影响因素很多，但其中起决定性的因素是半导体带隙。

带隙往往分为两种，一种是以Si为代表的间接带隙半导体，而另一种则是以GaAs为代表的直接带隙半导体。

直接带隙半导体与间接带隙半导体的区别在于其满带的最高能级与空带的最低能级的空间分布是否处于垂直状态，换言之，电子在两者间发生跃迁是否会改变其自身的动量。

直接带隙的两个能级是处于垂直状态的，电子跃迁不需改变自身动量，故在直接带隙半导体中电子跃迁能更容易、更快速地实现，宏观体现就为其电子迁移率更快；间接带隙的两个能级不处于垂直状态，其电子跃迁需要改变自身动量，故其电子跃迁不太容易进行，宏观体现就为其电子迁移率较直接带隙半导体更慢。

8、不确定性分析：

对于企业而言，半导体材料的研发投资巨大。如果未能预判产业发展方向，是资本投入的主要风险。

        

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