欢迎访问SMT设备行业平台！
半导体材料指导电性能介于金属与绝缘体之间的固体材料。多数半导体材料由元素周期表中 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ 族元素的单质或化合物组成，具体元素构成如图 1 所示。其中，Ⅳ 族元素是最常见的单质半导体材料来源，也是制造集成电路（IC）芯片的核心基础。由于不同半导体的元素组成存在差异，其材料特性也各不相同。
半导体材料具有若干固有特性，这些特性被称为半导体的特性参数，主要包括禁带宽度、电阻率、载流子迁移率、非平衡载流子寿命等。这些参数不仅能区分半导体材料与非半导体材料，还能清晰体现不同半导体材料之间的特性差异。下文将结合化学组成与应用发展历程，介绍几类常见的半导体材料及其特性参数。
单质半导体
半导体材料是集成电路器件的核心基础，其中最具代表性的单质半导体为硅（Si）与锗（Ge）。硅与锗的晶体结构，与金刚石（Ⅳ 族碳元素在自然界中的存在形态之一）及灰锡（一种零隙半导体，又称锡的该形态为灰锡）的晶体结构一致。在该晶体结构中，每个原子被 4 个相邻原子包围（即 4 次配位），进而构成四面体结构。这类以四面体结构为基础的半导体，已成为电子产业与现代科技发展的核心支撑。
元素周期表中 Ⅴ 族与 Ⅵ 族的部分单质同样属于半导体，例如磷（P）、硫（S）、硒（Se）与碲（Te）。这些单质晶体中，原子的配位方式各不相同：磷为 3 次配位，硫、硒、碲为 2 次配位，部分则为 4 次配位。因此，这类单质半导体拥有多样的晶体结构。此外，这类材料也是优良的玻璃组分，例如硒可通过单斜晶形态与四面体型晶体结构形成玻璃态物质（该形态可视为聚合物）。
双原子化合物半导体
由元素周期表中 Ⅲ 族与 Ⅴ 族元素形成的化合物（如砷化镓），其性质与 Ⅳ 族单质半导体十分相近。从 Ⅳ 族单质半导体到 Ⅲ-Ⅴ 族化合物半导体，化学键会逐渐呈现离子特性 —— 这是由于电子电荷从 Ⅲ 族原子向 Ⅴ 族原子转移所致。这种离子特性会明显改变半导体的性能，例如增强离子间的库仑作用力，同时改变电子能带结构中的禁带宽度。
Ⅱ-Ⅵ 族化合物（如硫化锌）的离子特性更为突出，且该特性对化合物性能的影响也更显著。因此，绝大多数 Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体的禁带宽度均大于 1eV。不过，含重金属汞（Hg）的化合物是例外，例如碲化汞（HgTe）本质上是与灰锡类似的零隙半导体（又称半金属）。此外，大禁带宽度的 Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体在显示与激光领域具有良好应用前景，而小禁带宽度的 Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体则是制造红外探测器的关键材料。
Ⅰ-Ⅶ 族化合物（如氯化亚铜）的禁带宽度通常较大（>3eV），由于其离子特性极强，大部分 Ⅰ-Ⅶ 族化合物常被归为绝缘体而非半导体。另外，离子间库仑力导致晶体结合能提升，使得 Ⅰ-Ⅶ 族化合物更易形成岩盐结构 —— 该结构中原子为 6 次配位，而非 4 次配位。
由 Ⅳ 族与 Ⅵ 族单质形成的二元化合物同样属于半导体，例如硫化铅（PbS）、碲化铅（PbTe）与硫化锡（SnS）；这类化合物电离度较高，其离子同样为 6 次配位。尽管这类化合物电离度较高，但其禁带宽度较小，这一特点与硫化汞相近。这类窄禁带宽度的 Ⅳ-Ⅵ 族化合物半导体，同样是制造红外探测器的重要材料。
宽禁带的 Ⅲ-Ⅴ 族化合物氮化镓（GaN）及混合晶体 Ga₁₋ₓInₓN，常被用于制造蓝光发光二极管（Light Emitting Diode，LED）与半导体激光器。
氧化物半导体
绝大多数氧化物属于优良的绝缘材料，但少数氧化物（如氧化铜（CuO）、氧化亚铜（Cu₂O））是典型的半导体。其中，氧化亚铜本身是一种天然矿物（常见于铜矿中），作为经典半导体材料，其基本特性已得到全面深入的研究。不过，由于目前科研人员对氧化物半导体的生长机制尚未完全掌握，这类材料的实际应用场景仍存在一定局限。
值得注意的是，Ⅱ-Ⅵ 族化合物氧化锌（ZnO）是例外 —— 它不仅可用于制造换能器，还是生产胶带与橡皮擦的原料之一。近年来，科研人员发现多种铜基氧化物具备超导特性，这一发现显著改善了氧化物半导体应用受限的现状。1986 年，米勒（K.Alex Müller）与贝德诺尔斯（J.Georg Bednorz）首次观测到某类铜基氧化物具有高临界温度超导特性，二人也因此荣获 1987 年诺贝尔物理学奖。这类超导材料以禁带宽度约 2eV 的半导体氧化镧铜（LaCuO₄）为基础制备而成：当三价镧（La）被二价钡（Ba）或锶（Sr）部分替代，或材料中氧原子含量过量时，空穴载流子会被引入 LaCuO₄体系；当载流子浓度达到一定阈值时，半导体便会转变为超导金属。截至目前，在该类超导材料中，HgBa₂Ca₂Cu₃O₈₊δ 在 1 个标准大气压下的超导转变温度（Tc）最高，约为 135K；在高压环境下，其转变温度可进一步提升至 164K。
层状半导体
碘化铅（PbI₂）、二硫化钼（MoS₂）、硒化镓（GaSe）等化合物半导体的性能，由其独特的层状晶体结构主导。这类材料的层内化学键以共价键为主，且该共价键强度远大于层与层之间的范德华作用力。层状半导体之所以吸引科研人员的广泛关注，一方面是因为电子在层间的运动呈现准二维特性，另一方面是可通过 “插层” 工艺，在层间嵌入外部原子或离子，从而调控层与层之间的相互作用。目前，层状半导体已成为材料科学领域的研究热点之一。
有机半导体 众多有机化合物（如聚乙炔 [(CH)ₙ]、聚二乙炔）均属于半导体范畴。尽管目前有机半导体尚未在电子器件中实现实际应用，但其应用潜力极具吸引力。相较于无机半导体，有机半导体的核心优势在于可根据实际应用需求灵活定制性能：例如，含共轭双键（-C=C-C=C-）的化合物具有极强的光学非线性，有望在光电子器件领域发挥重要作用；通过调整有机化合物的化学结构（而非改变分子式），即可调控其禁带宽度以适配具体应用场景，这一调控过程远比调整无机化合物半导体的禁带宽度更为简便。 科研人员还发现，部分新型碳材料也具备半导体特性，例如富勒烯（C₆₀）。此外，由单层或多层碳原子按特定螺旋角卷曲、无缝连接形成的管状结构（直径仅几纳米）被称为碳纳米管；这类碳纳米管及其 “同类” 氮化硼纳米管，有望成为纳米尺度电路的核心元件。值得一提的是，通过改变螺旋角与管径，碳纳米管和氮化硼纳米管可在金属与半导体特性之间切换。 磁性半导体 含有铕（Eu）、锰（Mn）等磁性离子的多种化合物（如硫化铕（EuS）、Cd₁₋ₓMnₓTe 合金），同时具备半导体特性与磁性特性。其中，Cd₁₋ₓMnₓTe 合金会根据磁性离子（Mn²⁺）含量的差异，呈现出不同的磁学特性，例如铁磁性与反铁磁性。 在磁性合金半导体中，磁性离子浓度较低的类型被称为稀磁半导体。这类半导体具有巨大的应用潜力，已引发科研领域的广泛关注 —— 其法拉第旋转角比非磁性半导体高出 6 个数量级，基于这一显著的光磁效应，稀磁半导体可用于制造光调制器。此外，La0.7Ca0.3MnO3类型的钙钛矿材料，能随外磁场变化实现金属与半导体特性的相互转化，进而产生 “庞磁阻现象”。 其他半导体材料 除上述几类半导体外，还存在一批具有独特性能的半导体材料。例如，化学式符合 I-Ⅲ-V₂与 Ⅱ-Ⅳ-V₂结构的三元化合物（如具备非线性光学特性的 AgGaS₂、用于太阳能电池的 CuInSe₂等），具有黄铜矿晶体结构，其原子以四面体型方式结合，这一结构可类比具有闪锌矿结构的 Ⅲ-V 族化合物半导体与Ⅱ-Ⅵ 族化合物半导体。 另有一类由 Ⅴ 族与 Ⅵ 族元素组成的化合物半导体，如 AsSe₃，其在晶态与玻璃态下均能保持半导体特性。此外，还有像 SbSI 这样的半导体材料，在低温环境下会呈现铁电性。 上述多数半导体材料均拥有独特的物理化学特性，尽管目前它们的应用场景较为有限，尚未成为研究热点，但这类材料的存在表明，半导体物理领域仍存在广阔的探索空间与发展潜力。 END 转载内容仅代表作者观点
