宽禁带半导体为何能成为第三代半导体

作者 | 薛定谔的咸鱼

2020年9月27日，近期，第三代半导体财富将写入“十四五”筹划的动静在收集上撒播。第三代半导体首要是指氮化镓和碳化硅、氧化锌、氧化铝、金刚石等宽禁带半导体，它们凡是都具有高击穿电场、高热导率、高迁徙率、高饱和电子速率、高电子密度、可遭受大功率等特点。

可是，许多人轻易被“第三代”半导体这个名字误导。

赛道差异

第一代、第二代、第三代半导体之间应用场景是有差此外。以硅（Si）、锗（Ge）为代表的第一代半导体应用场景异常普及，从尖端的CPU、GPU、存储芯片，再到各类充电器中的功率器件都可以做。固然在某些规模的机能方面示意不佳，但尚有性价比助其占有市场。第二代半导体以砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb）、磷化铟（InP）为代表，首要应用规模为光电子、微电子、微波功率器件等。第三代半导体以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石为代表，首要应用规模为功率器件、光电子、射频。

第三代半导体和第二代、第一代之间不是迭代相关，它们的应用场景有交错，但不完全重合。

举个例子来说，硅这类第一代半导体就像一个高年级门生，氮化镓这类第三代半导体就像一个新生。高年级门生首要是练田径行为的，而新生则是练游泳的。

每年学校城市举行行为会，在新生来之前，行为会全部项目（包罗游泳）都是由高年级门生介入，固然高年级门生是练田径的，可是由于身材素质较好也可以介入其余范例的角逐。

此刻专业练游泳的新生来了，新生的游泳速率比高年级门生快了不少，但新生田径项目示意很糟糕。以是之后的部门游泳角逐就逐渐的交给新生介入了，而高年级门生也更专注田径角逐。

徐徐地，新生在游泳规模得到了许多奖项，高年级门生云云评价： “好，很有精力！”纵然全部游泳角逐都交给新生介入，学校行为会中大大都角逐项目照旧田径角逐，游泳角逐只占一小部门。以是在这种环境下高年级门生仍旧是你们的晚年迈。

第三代半导体有其善于的规模，在本身的应用规模内机能是可以高出硅、锗等传统半导体原料，但在规模外，照旧硅的全国。

什么是半导体?

有些人看到这个题目也许会认为谜底很简朴。半导体嘛，就是电阻率介于导体和绝缘体之间的原料。电阻率高的险些不导电的就是绝缘体，电阻率低的很轻易导电的就是导体。

以上领略并不能算错，但假如想研究半导体原料，以上领略是完全不足的。好比怎样对待电阻率很高的金刚石被列为第三代“半导体”原料，以及怎样对待“超导金刚石”的相干研究？显然要领略这些题目必要更深层的理论。

能带理论就能很好的办理这些题目。

众所周知，电子是环绕原子核旋转的，如上图所示。个中2p、3s之类的就是电子的轨道。电子在差异轨道上具有差异的能量，这些能量值就是能级了。

在实际中根基不会有一个原子单独存在的环境，大多都是一堆原子聚积在一路。

假如多个原子排在一路的话，那么一个电子就会受到其余原子的影响，这些原子的电子轨道（量子态）就会产生交叠，在这种交叠的环境下电子就可以从一个原子转移到另一个原子上。既然电子可以从一个原子转移到另一个原子上，那么它也可以继承转移到下一个原子上，以是说电子可以通过这种方法在整个晶体中行为，这种行为称为共有化行为。

截取自北京地铁官方网站

举个普通的例子，我们每小我私人就像电子，而这些轨道就像地铁的线路一样。这些地铁线路是有交叠的处所，有些交叠的处所被配置为换搭趁魅站，可以从一条线路换成另一条线路。由于换乘线路的存在，我们可以通过换乘的方法达到地铁线路中的恣意一个站点。电子的共有化行为也是相同这样。

正由于在其余原子的影响下，能级破碎成了能带。当原子周期性分列形成晶体相互接近时，每一个能级都破碎为许多相相互距很近的能级，形成能带。

个中内层电子共有化行为弱，能级破碎小，能带窄；外壳层电子共有化行为明显，能带宽。

在具备能带常识的基本上我们来看这张图，图中：

价带：0K前提下被电子添补的能量最高的能带

导带：0K前提下未被电子添补的能量最低的能带

禁带：导带底与价带顶之间能带

带隙（禁带宽度）：导带底与价带顶之间的能量差

从图中我们不难发明半导体和绝缘体之间差别最大的处地址于禁带宽度，而在第三代半导体观念中的宽禁带半导体，个中“宽禁带”指的就是禁带宽度较量宽。

举个例子，好比在跨栏行为中栏架高度约莫1米，厚度也很小。以是运带动可以轻松的跨已往。可是假如把栏架换成3米高的砖墙，厚度也增进许多，这样运带动就不太轻易跨已往了。

半导体和绝缘体也是这样，半导体的禁带像尺度的栏架，电子较量轻易跨过，而绝缘体的禁带则是高墙，电子险些不能跨过。而这里栏架和墙的厚度和高度就相等于禁带宽度。

值得声名的一点是，禁带宽度不是永恒稳固的。好比统一种原料在差异温度下的禁带宽度是纷歧样的。并且可以通过掺杂等方法改变禁带宽度。

前文简朴先容了什么是半导体，那么此刻来说什么是半导体的职责。

（编辑：湖南网）

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