根据电阻率 $\rho(\Omega·cm)$ 区分

导体 半导体 绝缘体
<$10^{-3}$ $10^{-3}$~$10^{9}$ >$10^{9}$

半导体特征

温度升高 显著提升其导电能力 Si : 30 °C降至20 °C，$\rho$增加一倍 ，但自身仪器发热
微量杂质 显著改变其导电能力 300K，百万个Si原子中掺入1个杂质原子（如磷），$\rho$ : 21400$\Omega·cm$ → 约0.2$\Omega·cm$以下
光照 显著改变其导电能力  
电场和磁场 显著改变其导电能力  

四个显著的效应作为半导体的特性： 电阻率的负温度系数和光电导（都是体材料效应），光电压和整流效应（接触效应）。

根据这些特性，在限定条件(上述影响因素)下，探究半导体性质的变化规律及其原因，而后应用。

  • 电场对静止电子产生作用力，提供能量；

  • 磁场对运动电子产生作用力，改变方向。

  • 单原子 → 结晶 → 单晶体
  • 多原子形成晶体时候，原来的束缚来自于一个原子核，形成共价键后，是两个原子核的共同束缚，比原来的束缚强，因而共价后的电子能级降低，跃出需要更大的能量； 而过剩电子仍只受原本的原子核束缚，故比共价键电子束缚小
  1. 第一代：元素半导体 Si Ge
  2. 第二代：化合物半导体 GaAs
  3. 第三代：GaN 、SiC 大功率、高温条件

线性变化→仪表化

靠近原子核的内侧轨道(K层)上的电子,具有较小的能量,外侧轨道(L层)上的电子,具有较大的能量。 进一步讲,当电子具有的能量变大时,其电子会跳跃到外侧的M轨道或者N轨道。活泼的电子想脱离开原子核的情况。 而且当电子获得更多的能量时,会从原子核的引力中挣脱,飞向远处,成为自由电子。 另外,在表示电子具有的能量大小时,采用了所谓“能级”这个单词,而且越是位于外侧轨道上的电子,称其“能级越高”。

当温度升高时,轨道上的电子会得到能量,于是电子会移动到外侧的电子轨道上。 这种移动在能级差小的子排列的变化外侧轨道之间容易进行。

能级的基准 能级图中的基态,是当轨道上的电子获得热和光等的能和费米能级量而飞跃到远方,变成不受原子核约束时的状态,就把这种状态假设为0eV。 因此,位于N轨道上的电子,其能级称为一7.1eV,这意味着如果赋予它+7.leV以上的能量,其电子就会变成为自由电子。 而且,电子沿着构成金属的结晶,可以自由地移动,并且可以飞向构成气体的空间。 由此可见,位于最外侧轨道上的电子,显然可以利用最小的能量,使其变成为自由电子。

绝对温度为零度且电子进入轨道时,最外侧电子轨道的能级称为费米能级。 表示电子具有的能量大小的单位是电子伏[特]:eV。 虽然这里称为“伏[特]”,但是它并不是电压,而是能量的单位。

在电位差为1伏[特]的真空中,静止的电子被加速时,电子具有的动能为1eV。因此,如果在100V的电位差下被加速,则电子具有的动能就变成了100eV。另外,对于动能以外的其他能量,也能用作为能量相当量的eV来表示。

将构造最简单的H原子与Cu原子的各电子轨道的能级进行比较,表示其大概数值的图如右图所示。 铜比氢原子核的影响力更大。显然，对于Cu来说,其内侧电子是受到非常大的约束力的。

电子轨道的能带

能级变成能带

这样,电子的能级因呈现为具有一定的幅度而称之为能带。

一旦形成能带,在M轨道和N轨道之间能量幅度狭小的地方,也会发生像图2那样,M与N能带重叠的情况。

Si和Ge的单晶体称为本征半导体,在温度为0K时,没有传导电子,无电流流动。

在本征半导体中,存在的传导电子和空穴的数量是相同的,并且存在有电流。

在本征半导体中,基于获得大的能量而产生的传导电子和获得微小能量只能从空穴到空穴进行移动的电子 ,就形成了流动的电流。

这里,称传导电子和空穴(实际上是电子的移动)为输送电流的载体,从这个意义上说,可以称之为载流子。

杂质半导体：实际上,在杂质半导体中,作为本征半导体的传导作用,也会同时发生。 因此,在N型半导体中,通电时传导电子在起主要作用,空穴起次要作用。 在P型半导体中,则是空穴在通电时起主要作用,传导电子起次要作用。

传导电子和空穴被称为载流子,称主要作用为多数载流子。另外,称次要作用为少数载流子。

半导体的电学性质

进入20世纪40年代，用区熔法和切克劳斯基法人工制造出高纯度的绪和硅单晶， 随后，通过对这种单晶掺入极微量的杂质，得到了可控导电类型和导电率的半导体材料， 实现了所谓的”价电子控制技术“，从而使半导体成为可以用于制造器件的可设计材料。

半导体材料的代际划分

核心依据：禁带宽度、载流子迁移率、击穿电场，以及应用场景、技术成熟度，三者互补共存，无绝对替代关系。

一、第一代半导体材料

1. 核心材料

硅（Si）、锗（Ge）（锗逐渐被硅替代，核心为硅）

2. 关键特性

  • 禁带宽度较窄（Si: 1.12 eV，Ge: 0.67 eV），属于 间接带隙半导体

  • 载流子迁移率适中，工艺成熟度极高，成本低廉

3. 核心应用

集成电路（IC）、微处理器（CPU）、存储器（DRAM、Flash）、光伏电池、传统二极管/三极管

4. 技术地位与局限

  • 地位：奠定现代电子信息产业基础，90%以上半导体器件基于硅制造，应用最广泛、最成熟

  • 局限：耐高温、耐高压差，高频、高功率场景性能受限

二、第二代半导体材料

1. 核心材料

砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）

2. 关键特性

  • 禁带宽度中等（GaAs: 1.43 eV），属于 直接带隙半导体

  • 电子迁移率远高于硅（GaAs约为Si的6倍），高频特性优异，发光效率高

3. 核心应用

  • 射频器件：手机基站、卫星通信、雷达的射频放大器（PA）、低噪声放大器（LNA）

  • 光电子器件：激光器（LD）、光电探测器（PD）、高效砷化镓太阳能电池

  • 高速器件：超高速集成电路、毫米波器件

4. 技术地位与局限

  • 地位：解决第一代高频、高速、光电集成短板，是通信、航天、军工领域核心材料

  • 局限：成本高于硅，禁带宽度不足以满足高功率、高温场景；砷元素有毒，环保要求严格

三、第三代半导体材料

1. 核心材料

碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）（商业化最成熟）；氧化锌（ZnO）、金刚石（C）（尚在研发）

2. 关键特性

  • 宽禁带宽度（SiC: 3.26 eV，GaN: 3.4 eV），GaN为直接带隙，SiC为间接带隙

  • 击穿电场强度高（是Si的10倍以上）、热导率高、耐高温、抗辐射能力强

  • 高频、高功率、高效率特性突出

3. 核心应用（分材料）

材料 典型应用场景
SiC 新能源汽车电机控制器、充电桩、高压输电、轨道交通、航空航天
GaN 5G基站射频器件、快充充电器、微波器件、激光雷达（LiDAR）
金刚石 下一代超高功率、超高温器件（实验室阶段）

4. 技术地位与局限

  • 地位：能源革命和高频通信核心材料，提升能量转换效率、减小器件体积，支撑“双碳”、5G/6G发展

  • 局限：制备工艺复杂，单晶衬底成本高；器件制造难度大，良率待提升

四、三代半导体核心参数对比

性能参数 第一代（Si） 第二代（GaAs） 第三代（SiC/GaN）
禁带宽度（eV） 1.12 1.43 3.26~3.4
击穿电场（MV/cm） 0.3 0.4 2.5~3.5
热导率（W/m·K） 150 50 490（SiC）/ 130（GaN）
电子迁移率（cm²/V·s） 1400 8500 900（SiC）/ 2000（GaN）
主要优势 低成本、工艺成熟 高频、高速、光电集成 高温、高压、高功率、高效率

五、核心总结

  • 第一代：硅基时代 → 支撑消费电子、传统集成电路

  • 第二代：光电与射频时代 → 赋能移动通信、航天军工

  • 第三代：宽禁带时代 → 驱动新能源、新一代通信、高端装备

核心逻辑：代际升级围绕“性能突破”，适配不同场景需求，三者互补共存。