很有用！半导体材料参数介绍

赵敏 0 2021-04-01

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半导体材料参数

半导体检测过程中半导体参数非常重要，可以让我们明白当前各种半导体材料的优势与劣势的原因，今天小析姐就和大家聊一聊半导体材料参数的定义及作用。

不仅如此，还可以让我们明白一些东西，特别是二极管和三极管的一些特性。

其实这些问题，如果明白了下面参数的含义，那么也就理解得差不多了。

禁带宽度

首先来看禁带宽度，这个参数是从 能带模型 里面来的。

固体中 电子的能量是不可以连续取值 的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子或者空穴存在，自由电子存在的能带称为导带（能导电）。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这 个能量的最小值就是禁带宽度。

这段文字不好理解，那我们就以硅晶体来举例吧。

硅原子最外层含有4个电子，硅原子与硅原子之前通过共享电子形成晶体，这个“共享电子”也可以叫做形成化学键。形成化学键后，电子不能自由移动，所以不能导电。

这些形成的 化学键的电子的能量是各不相同 的，但他们有个特点，都处于一个范围，这个范围就叫价带。

如果这些化学键的电子获得了能量，从里面跑出来了，那它就成了自由电子。电子离开的地方形成了一个空位，所以构成了空穴，这两者都是可以导电的。同样的，所有这些 自由电子的能量也各不相同，但是它们都处于一个范围，这个范围就叫导带。

可以看到，这个导带和价带中间是有间隔的，这个间隔就是禁带。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。

禁带宽度越大，价电子必须获得比较高的能量，才能从化合键里面出来成为自由电子。所以禁带宽度越大，能够因为分子热运动成为自由电子的数量越少，导电性能越差。

接下来，我们看一下PN结，因为做晶体管必然少不了PN结。

我们知道，PN结反偏是有漏电流的，这个漏电流是由少子的扩散形成的，虽然很少，但是会有。

也就是说，会有电子从中间的内建电场区经过。并且，电子会在这个区域被加速。

如果电压足够大，场强足够高，那么电子会被加速到较高的能量与原子相撞，原本在化学键里的电子会被撞出来成为自由电子。这个新产生的自由电子又受到电场力加速，去撞击其它的原子产生新的自由电子。

这样“一生二，二生四，子子孙孙无穷尽也”，大量的自由电子产生，电流急剧增大，这也就是 “雪崩击穿 ”。

如果说 禁带宽度比较大 ，价电子被束缚的比较紧，那么就不容易被撞出来了。

所以呢，禁带宽度大，能抗住的场强也就越高，耐压也就越高。同等耐压的器件，PN结就可以做得更薄，器件也能更小，又会带来寄生电容小的好处，器件也就能在更高的频率工作。

当温度上升，电子更容易获得能量。当温度上升到一定程度的时候，会有很多化学键里面的电子获得足够的能量变成自由电子，这样就破坏了半导体的特性。

试想一下，温度上升，自己产生的载流子比掺杂产生的载流子数量还多，那掺杂也就失去了意义，晶体管的功能也就失效了。

禁带宽度越大，需要升到更高的温度才能使化学键里面的电子变成自由电子，也就是说能工作在更高的温度。

硅的禁带宽度是1.12eV，而碳化硅是3.26eV。所以碳化硅器件比硅器件更耐温，可以到200℃，而硅只能到150℃，传闻金刚石可以工作在500℃。

第三代半导体的特点就是禁带宽度大，所以主要应用于高温，大功率器件场合。

电子/空穴迁移率

电子迁移率，指的是电子在电场力作用下运动快慢的物理量。

这个不好理解，我们可以这么看。

电子浓度相同的两种半导体材料，在两端施加相同的电压，那个迁移率更大的半导体材料，它里面的电子运动速度越快，单位时间通过的电子数不就越多吗？也就是说，电流越大。

这就说明了 电子迁移率越高的半导体材料，电阻率越低，通过相同的电流， 损耗越小。

空穴迁移率与电子迁移率一样， 空穴迁移率越高，损耗越小。但是一般说来，电子的迁移率是要比空穴要高，因为空穴是电子的空位，空穴的运动，本质上是电子从一个空穴移动到另外一个空穴。

从上表可以看到，硅材料的电子迁移率要比空穴迁移率高几倍，这也是为什么NMOS管比PMOS管用得多的主要原因。

NMOS管在导通时，形成的是N型导电沟道，也就是说用来导电的是电子。而PMOS管导通，形成的是P型导电沟道，用来导电的是空穴。因为电子比空穴的迁移率要高，所以，同体积大小，同掺杂的情况下，NMOS管的损耗要比PMOS管小不少。

除了功耗之外，电子/空穴迁移率还影响什么呢？器件的速度

这是NMOS管的截止频率（输入/输出=1时的频率）

从最终的结果可以看到，截止频率与电子迁移率成正比。也就是说，电子迁移率越高，做出的NMOS管可以工作在更高的频率。

这个推导过程挺复杂的，就不列了。那么有没有通俗的理解呢？

NMOS管的工作原理，是通过控制导电沟道，以此来控制源漏电流。在栅极加上正电压Vgs，衬底的电子会被带正电的栅极吸引，电子充斥在源端和漏端之间，形成了导电沟道，两边就可以通了。

当Vgs电压以高频率变化的时候，形成的导电沟道的厚薄也会变化。这个导电沟道的变化是通过电子的移动来形成的，电子移动速度越快（电子迁移率越高），那么导电沟道就能更快的响应Vgs的变化。所以说，电子迁移率越高，器件的工作频率越高。

同样的，PMOS管的工作速度，应该与空穴迁移率的大小正相关。

总的来说，电子迁移率越高，晶体管的功耗越小，速度越快。

从表中看出，二代半导体GaAs的电子迁移率是8500，InP的电子迁移率是4600，都是比Si的1350大很多。所以二代半导体的特点就是用在高频，大功率场合。

饱和电子漂移速率

在电场比较低的时候，整体电子的漂移速度与电场大小成正比。当电场大到一定值，电子整体的漂移速度不会再增加，达到饱和，这个速度就叫 电子的饱和漂移速率。

这个参数像是决定了电子漂移速率的上限。

除此之外，还有一个问题。。。

欢迎大神们留言区答疑解惑！

责任编辑：展源

审　　核：何发

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