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宽禁带半导体为何能成为第三代半导体

发布时间:2020-09-29 23:16:16 所属栏目:点评 来源:网络整理
导读:副标题#e# 作者| 薛定谔的咸鱼 2020年9月27日,近期,第三代半导体产业将写入十四五规划的消息在网络上传播。第三代半导体主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,它们通常都具有高击穿电
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作者 | 薛定谔的咸鱼

2020年9月27日,近期,第三代半导体产业将写入“十四五”规划的消息在网络上传播。第三代半导体主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,它们通常都具有高击穿电场、高热导率、高迁移率、高饱和电子速度、高电子密度、可承受大功率等特点。

但是,很多人容易被“第三代”半导体这个名字误导。

赛道不同

宽禁带半导体为何能成为第三代半导体

第一代、第二代、第三代半导体之间应用场景是有差异的。以硅(Si)、锗(Ge)为代表的第一代半导体应用场景十分广泛,从尖端的CPU、GPU、存储芯片,再到各种充电器中的功率器件都可以做。虽然在某些领域的性能方面表现不佳,但还有性价比助其占据市场。第二代半导体以砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)、磷化铟(InP)为代表,主要应用领域为光电子、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,主要应用领域为功率器件、光电子、射频。

第三代半导体和第二代、第一代之间不是迭代关系,它们的应用场景有交叉,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学生,氮化镓这类第三代半导体就像一个新生。高年级学生主要是练田径运动的,而新生则是练游泳的。

每年学校都会举办运动会,在新生来之前,运动会所有项目(包括游泳)都是由高年级学生参加,虽然高年级学生是练田径的,但是因为身体素质较好也可以参加其它类型的比赛。

现在专业练游泳的新生来了,新生的游泳速度比高年级学生快了不少,但新生田径项目表现很糟糕。所以之后的部分游泳比赛就逐渐的交给新生参加了,而高年级学生也更专注田径比赛。

渐渐地,新生在游泳领域获得了很多奖项,高年级学生如此评价: “好,很有精神!”即使所有游泳比赛都交给新生参加,学校运动会中大多数比赛项目还是田径比赛,游泳比赛只占一小部分。所以在这种情况下高年级学生依旧是你们的老大哥。

第三代半导体有其擅长的领域,在自己的应用领域内性能是可以超过硅、锗等传统半导体材料,但在领域外,还是硅的天下。

什么是半导体?

有些人看到这个问题可能会觉得答案很简单。半导体嘛,就是电阻率介于导体和绝缘体之间的材料。电阻率高的几乎不导电的就是绝缘体,电阻率低的很容易导电的就是导体。

以上理解并不能算错,但如果想研究半导体材料,以上理解是完全不够的。比如如何看待电阻率很高的金刚石被列为第三代“半导体”材料,以及如何看待“超导金刚石”的相关研究?显然要理解这些问题需要更深层的理论。

能带理论就能很好的解决这些问题。

宽禁带半导体为何能成为第三代半导体

众所周知,电子是围绕原子核旋转的,如上图所示。其中2p、3s之类的就是电子的轨道。电子在不同轨道上具有不同的能量,这些能量值就是能级了。

在现实中基本不会有一个原子单独存在的情况,大多都是一堆原子聚集在一起。

宽禁带半导体为何能成为第三代半导体

如果多个原子排在一起的话,那么一个电子就会受到其它原子的影响,这些原子的电子轨道(量子态)就会发生交叠,在这种交叠的情况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,那么它也可以继续转移到下一个原子上,所以说电子可以通过这种方式在整个晶体中运动,这种运动称为共有化运动。

宽禁带半导体为何能成为第三代半导体

截取自北京地铁官方网站

举个通俗的例子,我们每个人就像电子,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地方,有些交叠的地方被设置为换乘车站,可以从一条线路换成另一条线路。因为换乘线路的存在,我们可以通过换乘的方式到达地铁线路中的任意一个站点。电子的共有化运动也是类似这样。

正因为在其它原子的影响下,能级分裂成了能带。当原子周期性排列形成晶体互相靠近时,每一个能级都分裂为很多彼此相距很近的能级,形成能带。

宽禁带半导体为何能成为第三代半导体

其中内层电子共有化运动弱,能级分裂小,能带窄;外壳层电子共有化运动显著,能带宽。

宽禁带半导体为何能成为第三代半导体

在具备能带知识的基础上我们来看这张图,图中:

价带:0K条件下被电子填充的能量最高的能带

导带:0K条件下未被电子填充的能量最低的能带

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

从图中我们不难发现半导体和绝缘体之间差异最大的地方在于禁带宽度,而在第三代半导体概念中的宽禁带半导体,其中“宽禁带”指的就是禁带宽度比较宽。

宽禁带半导体为何能成为第三代半导体

举个例子,比如在跨栏运动中栏架高度大约1米,厚度也很小。所以运动员可以轻松的跨过去。但是如果把栏架换成3米高的砖墙,厚度也增加很多,这样运动员就不太容易跨过去了。

半导体和绝缘体也是这样,半导体的禁带像标准的栏架,电子比较容易跨过,而绝缘体的禁带则是高墙,电子几乎不能跨过。而这里栏架和墙的厚度和高度就相当于禁带宽度。

值得说明的一点是,禁带宽度不是永恒不变的。比如同一种材料在不同温度下的禁带宽度是不一样的。而且可以通过掺杂等方式改变禁带宽度。

前文简单介绍了什么是半导体,那么现在来说什么是半导体的职责。

(编辑:源码网)

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