各種半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)的原因

之所以專門挑一篇文章來(lái)說(shuō)半導(dǎo)體參數(shù)，因?yàn)樗_實(shí)比較重要，可以讓我們明白當(dāng)前各種半導(dǎo)體材料的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)的原因。

不僅如此，還可以讓我們明白一些東西，特別是二極管和三極管的一些特性。

其實(shí)這些問(wèn)題，如果明白了下面參數(shù)的含義，那么也就理解得差不多了。

禁帶寬度

首先來(lái)看禁帶寬度，這個(gè)參數(shù)是從能帶模型里面來(lái)的。

固體中電子的能量是不可以連續(xù)取值的，而是一些不連續(xù)的能帶，要導(dǎo)電就要有自由電子或者空穴存在，自由電子存在的能帶稱為導(dǎo)帶（能導(dǎo)電）。被束縛的電子要成為自由電子，就必須獲得足夠能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，這個(gè)能量的最小值就是禁帶寬度。

這段文字不好理解，那我們就以硅晶體來(lái)舉例吧。

硅原子最外層含有4個(gè)電子，硅原子與硅原子之前通過(guò)共享電子形成晶體，這個(gè)“共享電子”也可以叫做形成化學(xué)鍵。形成化學(xué)鍵后，電子不能自由移動(dòng)，所以不能導(dǎo)電。

這些形成的化學(xué)鍵的電子的能量是各不相同的，但他們有個(gè)特點(diǎn)，都處于一個(gè)范圍，這個(gè)范圍就叫價(jià)帶。

如果這些化學(xué)鍵的電子獲得了能量，從里面跑出來(lái)了，那它就成了自由電子。電子離開的地方形成了一個(gè)空位，所以構(gòu)成了空穴，這兩者都是可以導(dǎo)電的。同樣的，所有這些自由電子的能量也各不相同，但是它們都處于一個(gè)范圍，這個(gè)范圍就叫導(dǎo)帶。

可以看到，這個(gè)導(dǎo)帶和價(jià)帶中間是有間隔的，這個(gè)間隔就是禁帶。禁帶寬度的大小實(shí)際上是反映了價(jià)電子被束縛強(qiáng)弱程度的一個(gè)物理量。

禁帶寬度越大，價(jià)電子必須獲得比較高的能量，才能從化合鍵里面出來(lái)成為自由電子。所以禁帶寬度越大，能夠因?yàn)榉肿訜徇\(yùn)動(dòng)成為自由電子的數(shù)量越少，導(dǎo)電性能越差。

等等，扯了半天這個(gè)有什么用？沒(méi)發(fā)現(xiàn)禁帶寬度大有什么用？

別急，才到問(wèn)題的一半，汗。。。

在這之前，我們來(lái)復(fù)習(xí)一下PN結(jié)，因?yàn)樽?a target="_blank">晶體管必然少不了PN結(jié)。

我們知道，PN結(jié)反偏是有漏電流的，這個(gè)漏電流是由少子的擴(kuò)散形成的，雖然很少，但是會(huì)有。

也就是說(shuō)，會(huì)有電子從中間的內(nèi)建電場(chǎng)區(qū)經(jīng)過(guò)。并且，電子會(huì)在這個(gè)區(qū)域被加速。

如果電壓足夠大，場(chǎng)強(qiáng)足夠高，那么電子會(huì)被加速到較高的能量與原子相撞，原本在化學(xué)鍵里的電子會(huì)被撞出來(lái)成為自由電子。這個(gè)新產(chǎn)生的自由電子又受到電場(chǎng)力加速，去撞擊其它的原子產(chǎn)生新的自由電子。

這樣“一生二，二生四，子子孫孫無(wú)窮盡也”，大量的自由電子產(chǎn)生，電流急劇增大，這也就是“雪崩擊穿”。

如果說(shuō)禁帶寬度比較大，價(jià)電子被束縛的比較緊，那么就不容易被撞出來(lái)了。

所以呢，禁帶寬度大，能抗住的場(chǎng)強(qiáng)也就越高，耐壓也就越高。同等耐壓的器件，PN結(jié)就可以做得更薄，器件也能更小，又會(huì)帶來(lái)寄生電容小的好處，器件也就能在更高的頻率工作。

當(dāng)溫度上升，電子更容易獲得能量。當(dāng)溫度上升到一定程度的時(shí)候，會(huì)有很多化學(xué)鍵里面的電子獲得足夠的能量變成自由電子，這樣就破壞了半導(dǎo)體的特性。

試想一下，溫度上升，自己產(chǎn)生的載流子比摻雜產(chǎn)生的載流子數(shù)量還多，那摻雜也就失去了意義，晶體管的功能也就失效了。

禁帶寬度越大，需要升到更高的溫度才能使化學(xué)鍵里面的電子變成自由電子，也就是說(shuō)能工作在更高的溫度。

硅的禁帶寬度是1.12eV，而碳化硅是3.26eV。所以碳化硅器件比硅器件更耐溫，可以到200℃，而硅只能到150℃，傳聞金剛石可以工作在500℃。

第三代半導(dǎo)體的特點(diǎn)就是禁帶寬度大，所以主要應(yīng)用于高溫，大功率器件場(chǎng)合。

電子/空穴遷移率

電子遷移率，指的是電子在電場(chǎng)力作用下運(yùn)動(dòng)快慢的物理量。

這個(gè)不好理解，我們可以這么看。

電子濃度相同的兩種半導(dǎo)體材料，在兩端施加相同的電壓，那個(gè)遷移率更大的半導(dǎo)體材料，它里面的電子運(yùn)動(dòng)速度越快，單位時(shí)間通過(guò)的電子數(shù)不就越多嗎？也就是說(shuō)，電流越大。

這就說(shuō)明了電子遷移率越高的半導(dǎo)體材料，電阻率越低，通過(guò)相同的電流，損耗越小。

空穴遷移率與電子遷移率一樣，空穴遷移率越高，損耗越小。但是一般說(shuō)來(lái)，電子的遷移率是要比空穴要高，因?yàn)榭昭ㄊ请娮拥目瘴唬昭ǖ倪\(yùn)動(dòng)，本質(zhì)上是電子從一個(gè)空穴移動(dòng)到另外一個(gè)空穴。

從上表可以看到，硅材料的電子遷移率要比空穴遷移率高幾倍，這也是為什么NMOS管比PMOS管用得多的主要原因。

NMOS管在導(dǎo)通時(shí)，形成的是N型導(dǎo)電溝道，也就是說(shuō)用來(lái)導(dǎo)電的是電子。而PMOS管導(dǎo)通，形成的是P型導(dǎo)電溝道，用來(lái)導(dǎo)電的是空穴。因?yàn)殡娮颖瓤昭ǖ倪w移率要高，所以，同體積大小，同摻雜的情況下，NMOS管的損耗要比PMOS管小不少。

除了功耗之外，電子/空穴遷移率還影響什么呢？器件的速度

這是NMOS管的截止頻率（輸入/輸出=1時(shí)的頻率）

從最終的結(jié)果可以看到，截止頻率與電子遷移率成正比。也就是說(shuō)，電子遷移率越高，做出的NMOS管可以工作在更高的頻率。

這個(gè)推導(dǎo)過(guò)程挺復(fù)雜的，我就不列了。那么有沒(méi)有通俗的理解呢？

我的想法是這樣的，僅供參考。

NMOS管的工作原理，是通過(guò)控制導(dǎo)電溝道，以此來(lái)控制源漏電流。在柵極加上正電壓Vgs，襯底的電子會(huì)被帶正電的柵極吸引，電子充斥在源端和漏端之間，形成了導(dǎo)電溝道，兩邊就可以通了。

當(dāng)Vgs電壓以高頻率變化的時(shí)候，形成的導(dǎo)電溝道的厚薄也會(huì)變化。這個(gè)導(dǎo)電溝道的變化是通過(guò)電子的移動(dòng)來(lái)形成的，電子移動(dòng)速度越快（電子遷移率越高），那么導(dǎo)電溝道就能更快的響應(yīng)Vgs的變化。所以說(shuō)，電子遷移率越高，器件的工作頻率越高。

同樣的，PMOS管的工作速度，應(yīng)該與空穴遷移率的大小正相關(guān)。

總的來(lái)說(shuō)，電子遷移率越高，晶體管的功耗越小，速度越快。