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半導體的定義
來源:SKhynix | 作者:陳鍾文 | 發布時間: 2021-07-06 | 412 次瀏覽 | 分享到:

當定義一種稱為“半導體”的物體時,通常按字面意思對其進行解釋。“半導體”一詞由前綴“semi-”(意為“半”)和單詞“conductor”(“導體”)組合而成,其介于導體和絕緣體之間。那么,“半”電流到底是什么意思?如何才能更精確地定義半導體?

1.從電流的角度看半導體

區分導體和絕緣體的標準是是否“導電”。如果一種物體導電,則為導體;如果不導電,則為絕緣體。那么,作為介于導體和絕緣體之間的物體,半導體到底應傳導多少電流?10[A]還是10[mA]?10[nA]還是10[pA]?沒有人能給出確切答案。原因是“傳導一半電流”的含義只是字面意義,并無科學界定。

但是,諸如“導電(ON)”和“不導電(OFF)”這樣的二分規則在字面上和科學上都講得通,所以對導體和絕緣體的定義具有合理性。在這種定義下,半導體(意味著半“導電”)屬于“導電(ON)”類別,所以半導體應被視為“導體”。因此,就電流(導電性)而言,半導體必須包含在導體的范疇內。那為何要將半導體和導體區分開來呢?

2. “摻雜(Doping)”使絕緣材料變成導電材料

圖1. 半導體的導電與絕緣性質與其電阻率的改變有關
(參考陳鍾文撰寫的《Basic Insight NAND Flash Memory》一書)


原因是,當區分導體、半導體和絕緣體時,“材料屬性”的影響大于物體本身屬性或操作的影響。地球上的材料中,特別是屬于14族元素的純鍺和硅,都是絕緣材料;然而,當13族或15族元素與14族元素進行化學合成(摻雜)并與14族元素鍵合(共用原子和最外層電子)后,電導率(σ)有所增加。換句話說,電阻率(ρ),也就是不導電的程度,相應降低。這是一項突破性的技術創新,可以根據需要控制電流量,同時自由管理摻雜濃度。由此可見,半導體的魅力在于其可以通過摻雜(擴散或離子注入法)將純硅絕緣體轉化為導電材料。

同時,可以根據摻雜量來決定電導率或電阻率。被摻雜的材料(具有比絕緣材料低而比導電材料高的中等電阻率值)稱為半導體。這種材料具有多種類型,如基板(N型/P型基板)、“井”字形(N型/P型)、源型/漏極端子(N型/P型)、多柵端子和其他次要層。半導體有時用作導體或絕緣體。因此,將半導體定義為“半個導體”這種說法不甚明確。但,三四年前,在3D-NAND中限制(存儲)電子時,有時使用一種具有半導體概念的CTF材料,但除了這些情況,半導體都被用作導體或絕緣體。

3.用于區分導體、半導體和絕緣體的電阻率

圖2. 四個影響半導體的常數


半導體可以用許多變量和常數來表征和分類,但在區分導電或絕緣的材料性質時,用常數來表示比較方便。在表征半導體的各個常數中,電導率、介電常數或磁導率難以計算,因為這些電氣或磁性特性應通過輸入變量(如電場強度或磁場強度)來推導出。

但是,當使用表示電阻率的常數ρ,<R=ρ(長度/面積)>時,半導體的三維體積(長度和面積)和材料屬性可以由固定值(常數)推導出。此外,電阻率不容易受到除溫度外的其他數值的影響。半導體的電阻率范圍為10^-4至10^2 Ω?m,這便于表征材料屬性(隨著數據變化,該范圍略有不同):但是,這些電阻率值也會隨著溫度的變化而變化。

4.什么是半導體?

圖3. TR的內部結構和電阻率@舊模型結構


綜上所述,半導體是指通過將13族或15族的雜質元素與絕緣材料純硅進行化學鍵合(摻雜),將材料的電阻率常數降低到約10^-4至10^2 Ω?m而得到的一種物體。這種摻雜方法通過允許每種材料或每層具有各自獨特的電阻率常數來決定非存儲設備和存儲設備的電阻率或電導率常數。根據這些常數的值提前計算電荷是否容易變動,這也影響了捕獲或存儲電子的能力。存儲設備還受到介電常數(電荷比例積累)或磁導率常數(磁通量密度比例)的影響。

因此,DRAM的電容器和NAND的浮動柵能捕獲到的漏極電流和電子的數量可通過調整上文提及的四個常數(電阻率、電導率、介電常數和磁導率)來確定。同時,應盡量減小外部電流對被捕獲的或流動的電子的影響(通過計算數值并相應地改變結構或材料,可以防止電子流動和電子數量發生快速變化)。最終,通過調整摻雜量和改變層狀材料的結構形式,調整上述四個常數至適當值,從而使半導體組合器件能夠正常執行ON/OFF功能。

絕緣體有多種材料,如氧化材料、氮化材料、硅基材料(砷化鎵半導體等)。其中具有代表性的是,通過在純硅絕緣體中摻雜具有所需導電性的材料制成的半導體。摻雜后,摻雜量不變,“電阻率”值也不變(兩者成反比)。簡而言之,半導體可以解釋為通過在絕緣硅中摻雜13族或15族雜質使電阻率值發生變化所形成的導體。沒有一種半導體是半個導體。盡管長期以來將非黃金材料轉化為黃金的煉金術均以失敗告終,但隨著摻雜半導體的誕生,20世紀的轉型煉金術取得了成功。


源文地址:https://news.skhynix.com.cn/definition-of-semiconductors/

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