BBIN BBIN宝盈集团什么是宽禁带半导体？

　　大家好，前段时间有个好学的软件同事问：耿博，宽禁带半导体中的“宽禁带”是指什么？我一下愣住了，还好很久以前自己看过这方面的介绍，但是自己记性又不太好，还好他又是做软件的，然后就云里雾里吹了一番，也不知道他听懂没。其实这个问题问得很好，估计大部分做电力电子硬件的小伙伴们也不知道，一方面是因为我们不是做器件的，最主要的还是因为我们大部分人的思维习惯都是被动的去接受知识，而对于新事物缺乏好奇心，也不太愿意问为什么。今天我们就稍微聊一下这个话题：宽禁带半导体中的“

　　宽禁带半导体也被称为第三代半导体，那第一代、第二代以及第三代分别是哪些半导体材料？应用领域又有哪些呢？简单介绍如下：

　　第一代元素半导体，主要包括以硅（Si）、锗（Ge）为代表的单质半导体，其中锗最先被研究且应用，但由于其造价较高，稳定性较差，主要应用于部分发光二极管、太阳能电池中。硅基材料是目前主流逻辑芯片和功率器件的基础，以硅基半导体材料开创了功率半导体元器件MOSFET和IGBT等为代表的固态电子时代，也是目前电力电子领域应用最为广泛的半导体材料。

　　第二代化合物半导体，主要指二元/三元化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP），其主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件，应用领域主要包括卫星通信、移动通信、光通信、GPS导航等。

　　第三代宽禁带半导体，主要包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等，优点是禁带宽度大（2.2ev）、击穿电场高、热导率高、抗辐射能力强、发光效率高、频率高，可用于于高温、高频、抗辐射及大功率器件，也是目前国家大力发展的新型半导体器件。

　　以上5个指标也很好理解，其中能隙也被称为带隙、禁带宽度，能隙和电场强度越高器件越不容易被击穿，耐压可以更高；热导率和熔点越高，器件越容易散热，也更容易耐高温；电子迁移率越高，器件的开关速度也就越快，因此可以做高频器件。

　　那为什么单单拿出禁带宽度这个指标命名第三代半导体，并称之为宽禁带半导体呢？因为半导体材料的禁带宽度在一定程度上都会影响甚至决定了半导体的电场强度、电子迁移率、热导率和熔点。禁带宽度单位为电子伏特（eV），是能量单位，1eV代表一个电子（所带电量为1.6×10^-19C的负电荷）经过1伏特的电位差加速后所获得的动能，电子伏特与SI制的能量单位焦耳（J）的换算关系是1 eV = 1.6021766208(98)×10^-19 J。半导体价带中被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，电子从价带顶（Ev）到达导带底（Ec）所需要的这个能量就是禁带宽度Eg，示意图如下：

　　对于不了解半导体物理的同志们，以上几个概念可能有点陌生，那就让我们从高中学过的化学元素周期表开始，一点点带大家了解一下宽禁带相关的概念吧。。。

　　为了更好地引入能带概念，首先了解一下导体、半导体和绝缘体的区别。顾名思义，导体可以导电，绝缘体不导电，半导体的导电性介于二者之间。那造成不同材料导电属性不同的本质原因是什么呢？当然是材料的构成元素了，让我们再回到高中时代，复习一下化学元素周期表，如下图：

　　周期表中元素的化学性质主要取决于原子的最外层电子数，具体表现为：最外层电子数小于4的元素，较易失去电子而达到稳定结构，多为金属元素。最外层电子数大于或等于4但不足8的元素，较易获得电子而达到稳定结构，多为非金属元素。稀有气体最外层电子数有8个电子，已达稳定结构，即不易失去电子也不易获得电子，化学性质不活泼。

　　根据以上规律，让我们首先看一下常用的诸如金、银、铜、铁、铝等金属元素。其中金、银、铜位于化学元素周期表的第11族，最外层电子数为1，铝和铁的最外层电子数分别为3和2。由于原子序数越大，最外层电子离原子核就越远，从而导致原子核对自由电子的束缚力就越弱，从而使得自由电子阻力越小，导电性越好。为了更好地理解这一点，我们可以把原子核比作一个国家的权力中心，原子核外的电子在以原子核为中心的轨道上运动，根据能量的高低围绕在原子核周围。距离原子核近的这些电子，比较老实，能级最低，毕竟天子脚下不敢互作非为，而距离原子核远的这些电子能级最高，远离权力中心，天高皇帝远，比较活跃，不太听话，很有可能被其它原子核虏获。

　　金银铜铁铝电阻率由小到大排名是：银铜金铝铁。其中，银的电阻率最小，铁的电阻率最大。可能有小伙伴会问，金元素的最外层电子距离原子核最远，按理说最外层的电子更容易导电啊，为什么导电性还不如铜呢？这又要涉及到电子亚层知识了，后面会提到，大家也可以参考知乎答案：

　　化学圆周期表中高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡胶，塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强，极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子， 所以其导电性极差，可以作为良好的绝缘体。由于我们常用的绝缘材料都是化合物，不像金属是单质元素，所以老耿就不进一步细说了。

　　最后再来重点看一下常用的诸如硅、锗半单质半导体，Si和Ge的最外层电子数为4个，既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚，成为自由电子，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧。因此，半导体的导电特性介于二者之间，硅和锗的原子核外电子分布如下：

　　由于Si材料是目前我们应用最多的半导体材料，所以我们再进一步深入了解一下Si原子核和电子一维分布结构，如下：

　　每个Si原子最外层有四个价电子，同时与其它Si原子共享四个原子，总共有八个价电子。那这样就会产生非常稳定的紧密结合的结构，这种无任何掺杂的半导体称为本征半导体，因此纯正的本征半导体是不会导电的。

　　那怎样才能让半导体导电呢，可以对本征导体进行适当掺杂，让它变得不再那么纯，从而可以调节半导体的导电性。例如在Si基半导体中添加一个五价的磷原子P就多出一个电子，这样本征半导体就会成N型半导体，如下图所示：

　　如果在Si基本征半导体中添加一个三价的硼原子B，那就会多出一个空穴，这样本征半导体就会变成P型半导体，如下所示：

　　P型半导体和N型半导体通过特殊的工艺接触在一起就构成了二极管。仔细看过功率半导体器件内部结构的小伙伴也不难发现，功率器件就是由多个不同掺杂浓度的P型半导体和N型半导体构成的，下面是沟槽栅极场终止型IGBT的基本结构，大家看一下就比较清楚了，正负号代表掺杂浓度。

　　至此，我们大概了解了导体、半导体、绝缘体导电属性的不同主要取决于化学元素最外层电子的特性，外层电子能量越高越活跃，越容易脱离原子核的束缚，也就越容易导电。那怎样形容围绕原子核旋转的电子的能量的大小呢？科学家们引入了能带理论。

　　我们都知道所有固体物质都是由原子组成的，而原子则由原子核和电子组成。电子在原子中处于不同的能级（能量级别）状态，粗略说是分层分布的，故电子层又叫能层。电子层可用n（n=1、2、3…）表示，n=1表明第一层（K层），n=2表明第二层（L层），依次n=3、4、5时表明第三（M层）、第四（N层）、第五（O层）。一般随着n值的增加，即按K、L、M、N、O…的顺序，电子的能量逐渐升高、电子离原子核的平均距离也越来越大。

　　第n电子层可容纳最多电子的数量为2n²。同一层中，还可以按照能级继续分为电子亚层，各亚层的能量是按s、p、d、f的次序增高的。这两种作用的总结果可以得出电子在原子核外排布时遵守下列次序：1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，4p，5s，4d，5p，6s，4f，5d，6p，7s，5f，6d.......，在这里我们以孤立的铜原子Cu进行说明一下电子分布，Cu是29价元素，电子轨道分布如下：

　　以上单个铜原子的能级，是分立的，其电子能级可以用一根线来表示。当若干原子相互靠近时，能级组成一束线，当大量原子共存于内部结构规律的晶体中时，密集的能级就变成了带状，即能带，如下图：

　　可见能带由无数个不同能级的线组合而成，是一个统称，让我们继续再引入几个名词：价带、导带、禁带、满带、空带。按照能量最小原理，电子是从最低的能带开始填充，深层能级也就是距离原子核最近的能级对应的能带是被电子填满的，对应的能带为满带；最外层价电子对应的能带为价带；价带可以是满带（本征半导体），也可以是被电子部分填充（掺杂半导体）；价带之上的能带没有分布电子，称这些带为空带，示意图如下：

　　满带中的电子没有多余的状态让电子“灵活”地变化，因此不能起导电作用，好比上下班早晚高峰，路上塞满了车，无法移动一样。相反，如果晶体的能带中的能级没有全部被电子填满，正反方向运动的电子各自均有空余的状态让电子灵活地变化，那在外电场作用下就会形成电流。如果由于某种原因（如热激发或光激发等），价带中有些电子被激发而进入空带，这时价带和空带均变为不满带，而成为导带。空带就像飞行汽车一样，完全和地面上的汽车不在一个维度上。需要说明的是，无论绝缘体还是本征半导体，不导电并非绝对，只要外层电子获得的能量足够大（温度或外部场强过高，也就是热激发和电激发），就会发生击穿导电现象。

　　导带是由自由电子形成的能量空间，即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。对于金属，所有价电子所处的能带就是导带。对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，价带如果是满带（本征半导体），则无法变成导带，如果不是满带（掺杂半导体）也可以变成导带，比价带能量更高的能带是空带。

　　价带是通常是指半导体或绝缘体中指填满电子的能带之中能量最高的能带，当然也是最外层电子对应的能带，因为最外层电子的能级最高。价带的定义也适用于金属的价带，只是金属的价带和导带是相连甚至是部分重叠的，所以金属中价带的电子可以毫无阻碍的跑到导带上撒欢。

　　禁带用来表示价带和导带之间的能态密度为零的能量区间。禁带宽度的大小决定了材料是具有半导体性质还是具有绝缘体性质。半导体的禁带宽度较小，当温度升高时，电子可以被激发传到导带，从而使材料具有导电性。绝缘体的禁带宽度很大，即使在较高的温度下，仍是不良导体。

　　基于上面的分析，我们再来看一下导体、半导体和绝缘体的能带图就一目了然了。

　　可以看出禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量。看到这里大家应该明白什么是宽禁带半导体了吧，最后给出个不同半导体材料电热属性的表格，供大家查阅：

　　好了，今天就给大家分享到这里，这篇文章费了不少脑细胞，毕竟自己也不是研发器件的，以上内容若有不对之处，请大家批评指正！如果您觉得有所收获，请帮忙点赞，转发，使本文被更多需要的人看到，谢谢！