半导体材料化学

半导体材料化学研究的是电导率介于金属和绝缘体之间，且可通过成分和掺杂精确控制的固体，这些材料是构建电子和光电器件的基础。

Definition

半导体是一种具有适中带隙的固体，其电导率可以通过温度，特别是通过掺杂在多个数量级上进行控制；半导体材料化学研究这类固体的组成、缺陷和制备。

Scope

本主题涵盖半导体固体的化学：定义半导体的带隙、本征与非本征导电，以及硅和锗等元素半导体与施主和受主的掺杂。它还延伸到化合物半导体——III-V族和II-VI族——其可调谐的直接带隙适用于发光，以及生产器件级材料的提纯、晶体生长和薄膜沉积方法。

Core questions

• 什么带隙范围定义了半导体？
• 施主和受主掺杂剂如何控制电导率和载流子类型？
• 化合物半导体如何扩展可用带隙的范围？
• 器件级半导体材料如何提纯和生长？

Key concepts

• 带隙
• 本征半导体和非本征半导体
• 施主和受主掺杂
• III-V族和II-VI族化合物
• 直接带隙和间接带隙
• 晶体生长和提纯

Key theories

本征和非本征导电

在本征半导体中，导电依赖于带隙中热产生的电子-空穴对；用施主或受主原子掺杂会增加浅能级，提供选定符号的载流子，从而使电导率可通过成分控制。

化合物半导体和带隙工程

结合III族和V族或II族和VI族的元素可以得到半导体，其带隙以及是直接带隙还是间接带隙可以通过成分进行调节，从而可以设计出与特定电子和发光功能相匹配的材料。

Mechanisms

施主掺杂剂将电子置于导带下方，受主掺杂剂将空穴置于价带上方，因此适度的热能即可使其电离并固定载流子浓度；直接带隙中的载流子复合会发光，这是半导体光源的基础。

Clinical relevance

半导体材料是微电子和光电子学的基础：掺杂硅制造晶体管和集成电路，化合物半导体制造发光二极管、激光二极管和光电探测器，而通过精细化学实现的纯度和晶体完整性决定了器件性能。

History

对半导体的理解围绕1947年晶体管的发明而形成，晶体管表明对硅和锗进行受控掺杂可以制造可切换的放大器件。区域熔炼和单晶生长的发展随后提供了超纯材料，而化合物半导体将该领域扩展到发光和高速电子学。

Key figures

• William Shockley
• John Bardeen
• Walter Brattain

Seminal works

• callister2018
• kittel2005

Frequently asked questions

掺杂如何将看似绝缘的晶体变成有用的导体？

添加少量比主体元素多一个或少一个价电子的元素，会在能带边缘附近引入浅能级。这些能级释放的电子或空穴很容易被激活，从而将电导率提高几个数量级，并决定导电是由负载流子还是正载流子进行。

为什么发光器件使用化合物半导体而不是硅？

硅具有间接带隙，因此电子-空穴复合很少发光。许多化合物半导体具有直接带隙，其中复合能有效地产生光，使其成为发光二极管和激光二极管的首选材料。