综述：电气与电子设备材料跨领域综述——第一部分：半导体

《Electrical Materials and Applications》：Materials in Electrical and Electronic Devices: A Review for Multidisciplinary Fields—Part I: Semiconductors

本综述系统探讨了半导体材料在电气电子器件中的基础特性与跨学科应用，涵盖窄带隙（NBG）、宽带隙（WBG）和有机半导体等类型。文章重点分析了半导体在集成电路（IC）、光电器件（如光伏电池PV、LED）、机械传感（压阻/压电效应）和功率电子（如SiC、GaN、Ga2O3）等领域的核心作用，并指出材料选择需权衡带隙能量、载流子迁移率及热稳定性等参数。文中还强调了有机/钙钛矿半导体在柔性器件中的潜力及其毒性（如Pb）挑战，为多学科材料设计提供重要参考。

　　

半导体材料的基础分类与特性

半导体材料根据带隙能量可分为窄带隙（NBG）和宽带隙（WBG）半导体。硅（Si）和锗（Ge）作为典型的NBG材料，因其成熟的制备工艺和高载流子迁移率，长期主导集成电路和光伏领域。例如，硅的带隙能量为1.12 eV，适合可见光至红外波段的能量收集。而WBG半导体如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和氧化镓（Ga₂O₃）凭借高击穿电场和低本征载流子浓度，在功率电子和短波长光电器件中展现优势。Ga₂O₃的带隙高达4.8–4.9 eV，但其p型掺杂难题限制了双极器件的开发。

有机半导体的维度演化与性能

有机半导体如富勒烯（C₆₀）、碳纳米管（CNT）和石墨烯，通过维度调控（0D至2D）实现性能突破。石墨烯的载流子迁移率可达1–5×10⁴ cm²/Vs，但本征带隙为零，需通过掺杂形成0.1–1.6 eV的调控带隙。碳纳米管具备高机械柔性和热导率（可达6600 W/mK），适用于柔性传感器和生物电子器件。然而，有机材料的热稳定性差（分解温度多低于400°C），且载流子迁移率普遍低于无机材料，例如富勒烯的电子迁移率不足0.1 cm²/Vs。

集成电路中的“摩尔定律”与“超越摩尔”技术

集成电路技术通过“摩尔定律”（More Moore）持续缩小晶体管尺寸，例如鳍式场效应晶体管（FinFET）和环栅（GAA）结构将节点推进至3 nm以下。同时，“超越摩尔”（More than Moore）策略集成能量收集（如光伏、热电发生器TEG）和传感功能，实现物联网（IoT）芯片的多功能化。硅基光伏电池通过全遮电极和隧穿氧化钝化接触（TOPCon）技术提升转换效率，而有机太阳能电池（如D18:Y6体系）效率已突破15%，但铅基钙钛矿材料的毒性问题亟待解决。

光电器件中的能量转换与探测

光伏器件的工作模式分为能量收集（光伏模式）和光探测（光电二极管模式）。硅基电池因 Shockley–Queisser 极限效率约为29.5%，而叠层电池（如InGaP/GaAs/Ge）通过能带匹配突破单结限制。在发光方面，GaN基LED通过p型AlGaN层调控能带结构，实现紫外-C（UVC）波段发射；而ZnO因直接带隙（3.4 eV）和压电特性，在紫外传感与柔性光电器件中潜力显著。

机械应力响应：压阻与压电效应

压阻效应普遍存在于半导体中，其电阻变化率由压阻系数决定。硅的压阻系数可达138.1×10^?11 Pa^?1，而二维材料（如SnS₂）的应变因子（GF）可超1000，适用于高灵敏度传感器。压电效应则限于特定材料（如AlN、ZnO），其中AlN的GF达1340，适用于微机电系统（MEMS）和生物植入式能量收集器。

功率电子器件的材料竞争

功率器件性能由巴利加优值（BFoM）评价，SiC、GaN和Ga₂O₃因高临界电场分别适用于垂直器件、高频射频和肖特基二极管。SiC的热导率高（4.9 W/cmK），适用于高温环境；GaN通过异质结形成二维电子气（2DEG），但成本高昂；Ga₂O₃虽具价格优势，却受限于p型掺杂困难。新兴超宽禁带材料如金刚石（5.5 eV）和立方氮化硼（c-BN）在辐射探测和极端环境应用中前景广阔。

跨学科应用中的材料选择挑战

半导体材料的跨领域应用需权衡性能与局限性。例如，ZnO在光电子、传感和能量收集中表现多元，但功率应用受限；有机和钙钛矿材料虽具柔性优势，却面临稳定性和毒性挑战。未来研究需聚焦材料界面工程、掺杂优化及环境兼容性，以推动半导体技术在能源、医疗和通信等领域的革新。