Typen, Eigenschaften und Herstellung von Halbleitermaterialien

Halbleitermaterialien sind das Rückgrat der modernen Elektronik, die die Funktionalität von Geräten vorantreiben, die von Smartphones bis zu komplexen integrierten Schaltungen reichen.Ihre einzigartige Fähigkeit, auf externe Kräfte wie Licht, Wärme und Elektrizität zu reagieren, gibt ihnen ihre unterschiedlichen Halbleitereigenschaften.Diese Eigenschaften ermöglichen es Halbleitern, als Hauptmaterial für unzählige elektronische Komponenten zu dienen.Egal, ob es sich um eine einfache Diode oder ein fortschrittlicher Mikroprozessor handelt, das Verhalten und die Fähigkeiten von Halbleitergeräten stammen aus diesen anpassbaren Materialien.

Katalog

Einführung von Halbleitermaterialien

Materialien in der Natur können basierend auf ihren leitenden Eigenschaften in drei Kategorien eingeteilt werden: Leiter, Halbleiter und Isolatoren.Halbleiter besitzen Widerstandswerte im Bereich von 1 MΩ · cm und 1 GΩ · cm und positionieren sie zwischen Leitern und Isolatoren.Im Gegensatz zu Metallen nimmt die Leitfähigkeit von Halbleitern mit der Temperatur zu und macht sie in ihrem elektrischen Verhalten unterschiedlich.Halbleitermaterialien zeigen einzigartige Eigenschaften als Reaktion auf externe Faktoren wie Licht, Wärme, Magnetismus und Elektrizität, die zu verschiedenen physikalischen Effekten führen.Diese Eigenschaften machen Halbleiter zu den Kernmaterialien in den meisten elektronischen Festkörpergeräten.Verschiedene Arten von Halbleitergeräten erfüllen aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften dieser Materialien unterschiedliche Funktionen.

Chemisch sind Halbleiter durch das Vorhandensein gesättigter kovalenter Bindungen zwischen Atomen definiert, die häufig in einer tetraedrischen Gitterstruktur angeordnet sind.Dies gibt viele Halbleiter wie Silizium und Diamant, ihre charakteristische kristalline Form.Historisch gesehen waren frühe Halbleitermaterialien natürlich vorkommende Verbindungen.Beispielsweise wurden Mineralien wie Galena (PBS) bei Frühfunkdetektion, Kupferoxid (Cu2O) in Festkörpergleichrichter und Siliziumcarbid (SIC) zur Berichtigungs- und Nachweiszwecken verwendet.

Die Entdeckung elementarer Halbleiter, beginnend mit Selen (SE), markierte einen Wendepunkt in der Festkörperelektronik, insbesondere in Anwendungen wie Gleichrichter und Photovoltaikzellen.Die Entwicklung der Germanium (GE) weiter fortgeschrittene Transistor-Technologie, während Silicium (SI) nicht nur Transistoren revolutionierte, sondern auch den Weg für integrierte groß angelegte Schaltungen ebnete.Darüber hinaus haben III-V-Verbindungs-Halbleiter wie Galliumarsenid (GAAs) Innovationen in Mikrowellen- und optoelektronischen Geräten angetrieben.

Verschiedene Arten von Halbleitermaterialien

Halbleitermaterialien können anhand ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer strukturellen Eigenschaften kategorisiert werden.Diese Klassifizierung führt in vier primären Gruppen: elementare, anorganische Verbindung, organische und amorphe oder flüssige Halbleiter mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungen.

Elementare Halbleitermaterialien

Unter den Angeboten von Gruppen IIIa bis IVA stechen elf Elemente hervor, insbesondere Silizium (SI) und Germanium (GE), die für ihre außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften und ihre weit verbreitete Verfügbarkeit bekannt sind.Seltsamerweise zeigen Elemente wie Kohlenstoff (C) und Phosphor (P) auch halbleitende Merkmale, obwohl sie eine begrenzte Verwendung finden.Bor (b) und Tellurium (TE) stellen einzigartige Herausforderungen bei der Vorbereitung oder Leistungseffizienz, wodurch sie in Anwendungen weniger herausragend werden.

Viele dieser Elemente haben Einschränkungen.Zum Beispiel hat Phosphor einen niedrigen Schmelzpunkt und Jod hat einen hohen Dampfdruck, was ihren praktischen Wert verringert.Darüber hinaus sind die metallischen Formen von Arsen, Antimon und Zinn stabil, während ihre halbleitenden Formen instabil sind.Materialien wie Bor, Kohlenstoff und Tellur sind ebenfalls vorzubereitende Herausforderungen und Leistungsbeschränkungen.Nur Germanium (GE), Silizium (SI) und Selen (SE) werden in Halbleiteranwendungen häufig verwendet, wobei Germanium und Silizium die am häufigsten verwendeten Materialien in der Halbleiterindustrie sind.

Anorganische Verbindungs ​​Halbleitermaterialien

Anorganische zusammengesetzte Halbleiter diversifizieren in binäre, ternäre und quaternäre Systeme, was sowohl bei Anwendung als auch in der Leistung immense Vielseitigkeit ermöglicht.Binäre Verbindungen wie Siliziumcarbid (SIC) und Galliumarsenid (GaAs) sind Eckpfeiler in Optoelektronik und Thermoelektrik, die für ihre thermische und elektronische Exzellenz gelobt wurden.Binäre Verbindungen haben signifikante Fortschritte vorangetrieben, indem sie ihre starken Eigenschaften für spezielle Anwendungen nutzten.

Bei der Betrachtung von ternären Verbindungen kommen Materialien wie Zinksiliziumphosphid (ZnSIP2) und Kupfergallium -Selenid (Cugase2) in den Sinn.Diese Substanzen vermischen Elemente aus verschiedenen Gruppen, um spezifische Merkmale anzupassen, die für Anwendungen von Photovoltaikzellen auf LEDs maßgeblich sind.Die Komplexität und Anpassung in quaternären Verbindungen entsprechen den High-Tech-Anforderungen.Beispielsweise profitieren hocheffiziente Solarzellen der Effizienz von Quartärverbindungen in Multi-Geschwätz-Solarzellen, um das Absorptionsspektrum zu optimieren.

Binäre Verbindungen

Gruppe IV-IV: Enthält Materialien wie Siliziumcarbid (sic) und Germanium-silicon (GE-Si) -Legierungen, beide eine Sphaleritstruktur.

Gruppe III-V: Bestehend aus Elementen der Gruppe III (Al, Ga, in) und der Gruppe V (P, AS, SB), wobei Galliumarsenid (GaAs) das bemerkenswerteste Material ist.Diese Materialien haben unterschiedliche Anwendungen, die nur nach GE und SI mit vielversprechenden Entwicklungsaussichten an zweiter Stelle stehen.

Gruppe II-vi: Diese Verbindungen, die durch Elemente der Gruppe II (Zn, CD, HG) und die Elemente der Gruppe VI (S, SE, TE) gebildet werden, sind für die Optoelektronik von entscheidender Bedeutung.Beispiele sind Zinksulfid (ZNS) und Cadmium Tellurid (CDTE).

Gruppe I-VII: Enthält Materialien wie Cubr und CUI, die auch Sphaleritstrukturen haben.

Gruppe V-VI: Besteht aus thermoelektrischen Verbindungen wie Wismut Tellurid (bi2te3) und Wismut -Selenid (BI2SE3).

Oxide von Übergangsmetallen: Elemente wie Cu, Zn, Ti und Mn bilden Oxide, die in Thermistormaterialien verwendet werden.

Ternäre Verbindungen

Diese Materialien beinhalten den Ersatz von Atomen in binären Verbindungen, die Halbleiter wie ZnSIP2, Cuinse2 und Aginte2 bilden.Sie sind zur Schaffung von Halbleitern mit speziellen Eigenschaften.

Quartärverbindungen

Dazu gehören komplexe Materialien, die erweiterte Funktionen für bestimmte Anwendungen boten.

Organische zusammengesetzte Halbleitermaterialien

Organische Halbleiter wie Naphthalin und Polyacrylnitril präsentieren halbleitende Eigenschaften, obwohl ihre Marktnutzung weiterhin Nische ist.Dies ist hauptsächlich auf ihre relativ niedrigere Mobilität und Stabilität der Träger im Vergleich zu anorganischen Optionen zurückzuführen.Ihr leichtes und flexible Flexibilität positionieren sie jedoch als faszinierende Kandidaten für zukünftige Anwendungen wie organische lichtemittierende Dioden (OLEDs) und organische Photovoltaiken (OPVs).Die Forschung zielt darauf ab, die Effizienz und Haltbarkeit dieser Materialien zu verbessern und möglicherweise die Entwicklungen in flexibler Elektronik und darüber hinaus freizuschalten.Diese fortlaufende Erkundung unterstreicht das ungenutzte Potenzial innerhalb von organischen Halbleitern und bittet die Frage der zukünftigen Durchbrüche in diesem Raum.

Amorphe und flüssige Halbleitermaterialien

Amorphe und flüssige Materialien, die für die periodischen kristallinen Struktur typisch für herkömmliche Halbleiter typisch sind, bieten einzigartige elektronische Eigenschaften.Amorphes Silizium (A-Si) wird beispielsweise bei Dünnscheider-Transistoren für flüssige Kristallanzeigen (LCDs) aufgrund seiner Kosteneffizienz und Leichtigkeit der Ablagerung in großer Fläche bevorzugt.Umgekehrt sind flüssige Halbleiter, obwohl sie nicht so weit verbreitet sind, für dynamisch einstellbare Anwendungen vielversprechend, bei denen herkömmliche Festkörper-Halbleiter möglicherweise unzureichend sind.Flüssige Halbleiter definieren angesichts ihrer flexiblen Anwendungen bestimmte technologische Grenzen neu.

Die unerbittliche Innovation und Diversifizierung innerhalb von Halbleitermaterialien treibt Fortschritte in zahlreichen technologischen Sektoren vor und bekräftigen ihre wichtigste Rolle in der modernen Elektronik und darüber hinaus.Der Schnittpunkt verschiedener Materialien und Anwendungen unterstreicht nicht nur ihre Relevanz, sondern wirft auch faszinierende Fragen zum zukünftigen Potenzial von Halbleitern in aufstrebenden Technologien auf.

Eigenschaften von Halbleitermaterialien

Charakteristische Parameter

Halbleitermaterialien, obwohl vielfältig, teilen wichtige Eigenschaften, die sie von anderen Materialien unterscheiden.Diese als charakteristischen Parameter bezeichneten Eigenschaften unterstreichen nicht nur die Unterschiede zwischen Halbleitern und Nicht-Begriffenen, sondern quantifizieren auch Unterschiede zwischen verschiedenen Halbleitermaterialien und sogar innerhalb desselben Materials unter verschiedenen Bedingungen.

Die primären charakteristischen Parameter von Halbleitermaterialien sind:

Bandgap

Die Bandlücke wird durch die elektronische Struktur und die Atomanordnung des Halbleiters bestimmt.Es stellt die minimale Energie dar, die erforderlich ist, um ein Elektron aus dem Valenzband (wo es an ein Atom gebunden ist) an das Leitungsband (wo es frei ist, sich zu bewegen und Strom zu leiten).

Widerstand und Trägermobilität

Diese Parameter definieren die elektrische Leitfähigkeit eines Materials.Träger, zu denen Elektronen und Löcher gehören, sind die geladenen Partikel, die für die Leitung von Halbleitern verantwortlich sind.Ein hoher Trägermobilität bedeutet, dass sich diese Träger schnell durch das Material bewegen können, was für die Effizienz vieler Halbleitergeräte dient.

Lebensdauer von Nicht-Gleichgewichtsträger

Dies bezieht sich darauf, wie lange es dauert, bis Träger (Elektronen und Löcher) zum Gleichgewicht zurückkehren, nachdem sie durch externe Kräfte wie Licht oder ein elektrisches Feld gestört wurden.Eine längere Lebensdauer kann darauf hinweisen, dass das Material diese Träger für einen längeren Zeitraum in einem höheren Energiemittel behält, bevor sie sich zum Gleichgewicht zurückbekommen.

Versetzungsdichte

Versetzungen sind häufige Kristalldefekte in Halbleitermaterialien, insbesondere bei Einzelkristall-Halbleitern.Die Versetzungsdichte misst das Ausmaß dieser Defekte, was die elektronischen Eigenschaften eines Materials beeinflussen kann.Amorphe Halbleiter weisen diese Eigenschaften nicht auf, da ihnen eine reguläre Kristallstruktur fehlt.

Leistungsanforderungen für Halbleitergeräte

Halbleitermaterialien werden für bestimmte Anwendungen ausgewählt, basierend darauf, wie gut sie den Leistungsanforderungen für verschiedene Geräte erfüllen.Hier ist eine Aufschlüsselung der für einige wichtigen Halbleitergeräte erforderlichen Materialeigenschaften:

Transistoren

Für Transistoren müssen Materialien eine hohe Lebensdauer von Nicht-Gleichgewichtsträgern und die Mobilität des Trägers aufweisen.Mit hoher Mobilität der Träger können Transistoren bei höheren Frequenzen arbeiten und ihre Leistung in Hochgeschwindigkeitsanwendungen verbessern.Niedrige Kristalldefekte sind entscheidend, da Defekte die Trägerbewegung beeinträchtigen und Transistoren zu Fehlfunktionen führen können.Zusätzlich bestimmt das Bandgap des Materials seine maximale Betriebstemperatur.Materialien mit breiteren Bandgaps können bei höheren Temperaturen ohne Leistungsverschlechterung funktionieren.

Optoelektronische Geräte

Geräte wie Fotodetektoren und LEDs basieren auf der Wechselwirkung zwischen Licht und Halbleitermaterial.Die Leistung von Fotodetektoren ist eng mit dem Bandlücken des Halbleiters verbunden, da dies den Bereich der Lichtfrequenzen (oder Wellenlängen) bestimmt, das das Gerät erkennen kann.Eine längere Lebensdauer von Nichtgleichgewichtsträger verbessert die Detektorempfindlichkeit, kann jedoch seine Reaktionszeit verlangsamen.

In Solarzellen ist ein Gleichgewicht zwischen dem Bandgap und der Lebensdauer des Nicht-Gleichgewichtsträgers für eine hohe Effizienz von wesentlicher Bedeutung.Die optimale Bandlücke für Solarzellen liegt im Allgemeinen zwischen 1,1 und 1,6 Elektronenvolt (EV).Kristallfehler können, falls vorhanden, die Lichtemissionseffizienz in Geräten wie LEDs und Halbleiterlasern drastisch reduzieren.

Thermoelektrische Geräte

Thermoelektrische Geräte umwandeln Wärme in Elektrizität (oder umgekehrt), und ihre Effizienz hängt davon ab, einen signifikanten Temperaturunterschied zwischen den beiden Enden des Geräts zu schaffen.Um hohe Betriebstemperaturen zu bewältigen, sollte das Halbleitermaterial eine relativ große Bandlücke haben.Für eine bessere Leistung muss das Material eine geringe thermische Leitfähigkeit, einen niedrigen Widerstand und eine hohe Elektromotivkraft aufweisen (Spannung, die durch Temperaturunterschiede erzeugt wird).

Methoden zur Arbeit mit Halbleitermaterialien

Die Leistung von Halbleitermaterialien ist mithilfe von Unreinheitsatomen und Kristalldefekten in Verbindung gebracht.Verunreinigungen können die elektronischen Eigenschaften des Materials verändern und seine Leistung entweder verbessert oder schwächen.Technologien zur Herstellung von Halbleiter sind vielfältig, umfassen Reinigung, Einzelkristallwachstum und epitaxiale Wachstum.Techniken wie chemische und physikalische Reinigung, wobei die Zonenfeindung ein Paradebeispiel ist.Darüber hinaus tragen verschiedene epitaxiale Methoden, einschließlich Dampfphasen-Epitaxie und Molekularstrahl-Epitaxie, zur Herstellung hochwertiger Halbleiterfilme bei, die für moderne elektronische Geräte integriert sind.

Reinigung

Reinigung ist das Fundament der Hochleistungs-Halbleiter.Es beinhaltet die Entfernung von Verunreinigungen durch chemische Methoden wie die Bildung und Zersetzung von Zwischenverbindungen sowie die physikalischen Methoden wie die Raffination von Zonen und die Vakuumdestillation.Zum Beispiel hat die Zone-Raffinierung eine überlegene Wirksamkeit bei der Herstellung von Germanium und Silizium in hohem Purity gezeigt.

Die Suche nach ultrahohen Reinheitsmaterialien wird durch die Notwendigkeit der Verbesserung der elektronischen Eigenschaften in Halbleitergeräten angeregt.Sogar Spurenmengen können die Leistung elektronischer Schaltkreise erheblich beeinflussen und die integrale Rolle ausgefeilter Reinigungsprozesse hervorheben.

Dünnfilm-Epitaxialwachstum

Einzelkristallwafer oder Dünnfilme untermauern die Herstellung von Geräten.Das Czochralski -Prozess und die Float -Zone -Raffinerierung sind Grundnahrungsmittel für das Kristallwachstum.Wenn es um epitaxielles Wachstum geht, sind Techniken wie Dampfphasenpitaxie und Molekularstrahl -Epitaxie insbesondere für die Entwicklung fortschrittlicher Halbleiterstrukturen erforderlich, wie z. B.:

• Quantenbrunnen
• Superlattices

Diese Methoden ermöglichen eine präzise Kontrolle über die Schichtdicke und -zusammensetzung, was für die Funktionalität von Halbleitergeräten bestimmt ist.Epitaxiale Techniken sind wichtig, um die gewünschten Materialeigenschaften zu erreichen, die direkt zu einer verbesserten Effizienz und Zuverlässigkeit der Geräte führen.Die fortgesetzte Entwicklung dieser Methoden erstreckt sich über die Grenzen dessen, was in der Halbleitertechnologie erreichbar ist, und verspricht noch größere Fortschritte auf diesem Gebiet.

Wichtige Merkmale der Halbleitermaterialindustrie

Expansive industrielle Skala

Die Halbleitermaterialindustrie ist umfangreich und transformativ.Bis 2016 war der globale Marktwert von Halbleitermaterialien auf 44,3 Milliarden US -Dollar gestiegen, was fast 15% des Gesamtwerts der Branche ausmachte, der sich um 300 Milliarden US -Dollar lag.Dieser beträchtliche Prozentsatz zeigt nicht nur das große Maßstab der Branche, sondern auch in seiner wichtigsten Rolle bei der technologischen Weiterentwicklung und im globalen Handel.Perpetuale Innovationen und weit verbreitete Anwendungen in zahlreichen Geräten, von alltäglichen Unterhaltungselektronik bis hin zu fortgeschrittenen Rechenmaschinen.

Komplizierte Handelsstrukturen

Ein Kennzeichen der Halbleitermaterialindustrie ist die komplizierte Segmentierung, die zahlreiche Unterfelder umfasst, die verschiedene Materialien und Anwendungen gerecht werden.Siliziumwafer bei der Herstellung von Geräten.Verpackungsmaterialien wie Harze und Bindungsdrähte, wesentlich für die Integrität der Geräte.

Jede Unterteilung stellt sicher, dass spezielle Materialien den spezifischen technologischen Anforderungen entsprechen.Die Vielfalt in diesen Materialien entspricht der Komplexität der Anwendungen, die sie unterstützen, und unterstreicht die spezialisierte Natur jedes Unterfeldes.Es ermöglicht schnelle Anpassungen an aufkommende technologische Anforderungen und verbessert die Vielseitigkeit der Branche.

Anspruchsvolle technische Standards

Die Produktion innerhalb der Halbleitermaterialindustrie wird durch strenge technische Kriterien definiert.Diese Materialien müssen hohen Reinheitstandards entsprechen und detaillierte, präzise Herstellungsprozesse durchlaufen.Jede Art von Halbleiter -Chip erfordert spezifische Materialspezifikationen und umfangreiche Tests, um die Leistungszuverlässigkeit zu gewährleisten.Die hohen technischen Anforderungen erfordern häufig anspruchsvolle technologische Infrastruktur und spezialisiertes Fachwissen.Aus diesem Grund stellen Branchenführer konsequent Ressourcen für Forschung und Entwicklung zu, um Innovationen aufrechtzuerhalten und die Einhaltung von Qualität zu gewährleisten.

Wirtschaftliche Produktionskosten

Trotz der immensen Skalierung und der technischen Komplexität der Halbleitermaterialindustrie sind die proportionalen Kosten einzelner Untermaterialien relativ niedrig.Beispielsweise ist der Kostenbeitrag von Halbleiterzielen im Vergleich zu den Gesamtproduktionskosten von Halbleitergeräten langsam.Diese wirtschaftliche Kostenstruktur kann auf effiziente Herstellungsprozesse und Skaleneffekte zurückgeführt werden.Eine solche Kosteneffizienz ermöglicht es der Branche nicht nur, Wettbewerbspreise aufrechtzuerhalten, sondern führt auch weitere Innovationen und Expansionen vor.

Die Halbleitermaterialindustrie ist ein Eckpfeiler moderner Technologie mit umfangreichem Umfang, nuancierter Unterfelddifferenzierung, strengen technischen Standards und kostengünstigen Produktionsrahmen.Das Greifen dieser Merkmale bietet ein gründliches Verständnis der Dynamik der Branche, die für Stakeholder von Ingenieuren bis hin zu Investoren entscheidend ist.Die vielfältige und komplizierte Natur des Sektors erfordert eine ständige Anpassung an sich weiterentwickelnde technologische Fortschritte und Marktveränderungen.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Was sind Halbleitermaterialien?

Halbleitermaterialien umfassen üblicherweise Silizium, Germanium und Galliumarsenid.Germanium war einer der ersten Halbleiter in der Elektronik.Es hat vier Valenzelektronen, die sich in der Außenhülle des Atoms befinden.

2. Was sind die 6 Halbleiter?

Elementare Halbleiter bestehen aus einem einzigen Atomtyp wie Silizium (Si), Germanium (GE) und Zinn (SN) aus Gruppe IV des Periodenzüchtertabels sowie Selen (SE) und Tellurium (TE) aus Gruppe VI.

3. Was ist ein Halbleiterbeispiel?

Ein Halbleiter ist ein Material mit elektrischer Leitfähigkeit zwischen dem eines Leiters (wie Kupfer) und einem Isolator (wie Glas).Beispiele sind Silizium, Germanium und Galliumarsenid.

4. Was sind die 2 Arten von Halbleitern?

Die beiden Haupttypen von Halbleitern sind N-Typ und P-Typ.N-Typ-Halbleiter haben zusätzliche Elektronen, während P-Typ-Halbleiter zusätzliche "Löcher" haben

5. Wie viele Arten von Halbleitern gibt es?

Es gibt zwei Haupttypen von Halbleitern: p-Typ (positiv, erzeugt durch Hinzufügen eines Gruppen-III-Elements) und n-Typ (negativ, erzeugt durch Hinzufügen eines Gruppen-V-Elements).