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半導體的定義
來源:SKhynix
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作者:陳鍾文
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發(fā)布時間: 2021-07-06
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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?！鞍雽w”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(qū)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(guī)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(nèi)。那為何要將半導體和導體區(qū)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(zhì)與其電阻率的改變有關(guān)
（參考陳鍾文撰寫的《Basic Insight NAND Flash Memory》一書）
原因是，當區(qū)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(shù)創(chuàng)新，可以根據(jù)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(zhuǎn)化為導電材料。
同時，可以根據(jù)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(qū)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(shù)
半導體可以用許多變量和常數(shù)來表征和分類，但在區(qū)分導電或絕緣的材料性質(zhì)時，用常數(shù)來表示比較方便。在表征半導體的各個常數(shù)中，電導率、介電常數(shù)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(shù)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(shù)）推導出。此外，電阻率不容易受到除溫度外的其他數(shù)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(shù)據(jù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)和電阻率@舊模型結(jié)構(gòu)
綜上所述，半導體是指通過將13族或15族的雜質(zhì)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(shù)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(shù)來決定非存儲設(shè)備和存儲設(shè)備的電阻率或電導率常數(shù)。根據(jù)這些常數(shù)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(shè)備還受到介電常數(shù)（電荷比例積累）或磁導率常數(shù)（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(shù)量可通過調(diào)整上文提及的四個常數(shù)（電阻率、電導率、介電常數(shù)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(shù)值并相應地改變結(jié)構(gòu)或材料，可以防止電子流動和電子數(shù)量發(fā)生快速變化）。最終，通過調(diào)整摻雜量和改變層狀材料的結(jié)構(gòu)形式，調(diào)整上述四個常數(shù)至適當值，從而使半導體組合器件能夠正常執(zhí)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(zhì)使電阻率值發(fā)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(zhuǎn)化為黃金的煉金術(shù)均以失敗告終，但隨著摻雜半導體的誕生，20世紀的轉(zhuǎn)型煉金術(shù)取得了成功。
源文地址：https://news.skhynix.com.cn/definition-of-semiconductors/
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