n型半导体是通过在纯净半导体（本征半导体）中掺入特定施主杂质，使导电载流子以电子为主的半导体材料，其核心特点是电子为多数载流子，空穴为少数载流子，电导率主要通过电子迁移实现，根据材料组成与结构，n型半导体可分为元素半导体、化合物半导体、氧化物半导体及有机半导体等几大类，各类材料因掺杂元素、晶体结构及特性差异，在电子、光电子、能源等领域应用广泛。
元素半导体
元素半导体指由单一元素构成的半导体材料，最典型的是硅（Si）和锗（Ge），它们是半导体工业的基础材料。
- 硅（Si）：最常用的n型半导体材料，通过掺入Ⅴ族元素（如磷P、砷As、锑Sb）形成，磷原子最外层5个电子，取代硅晶格中硅原子（4个价电子）后，多余1个电子易成为自由电子，形成n型导电，硅基n型半导体电子迁移率约1400 cm²/(V·s)（室温），禁带宽度1.12 eV，具有成本低、稳定性好、工艺成熟的优势，广泛用于集成电路（CPU、存储器）、功率器件、太阳能电池等。
- 锗（Ge）：早期半导体材料，通过掺入磷或砷形成n型，锗的电子迁移率（约3900 cm²/(V·s)）高于硅，但禁带宽度较窄（0.66 eV），高温下漏电流大，现主要用于高频器件（如微波二极管）、红外探测器及部分科研场景。
化合物半导体
化合物半导体由两种或以上元素组成，因能带结构可调，性能优于元素半导体，在高频、光电子、功率领域不可替代。
（一）Ⅲ-Ⅴ族化合物
由Ⅲ族元素（Ga、In等）与Ⅴ族元素（As、P、N等）组成，是化合物半导体中应用最广的一类。
| 材料名称 | 常用掺杂元素 | 关键特性 | 主要应用领域 |
|---|---|---|---|
| 砷化镓（GaAs） | Si、Te、Sn | 电子迁移率高（约8500 cm²/(V·s)），禁带宽度1.42 eV，直接带隙 | 手机射频芯片（功率放大器）、LED、激光器、太阳能电池 |
| 磷化铟（InP） | Si、Sn、S | 电子迁移率高（约5400 cm²/(V·s)），禁带宽度1.34 eV，抗辐射 | 光通信激光器/探测器、毫米波器件、卫星通信 |
| 氮化镓（GaN） | Si、Ge | 禁带宽度大（3.4 eV），击穿电场高（3.3 MV/cm），电子饱和速度高 | 5G基站功率放大器、快充充电器、LED照明、激光雷达 |
| 磷化镓（GaP） | S、Te | 间接带隙（禁带宽度2.26 eV），发光效率可调 | 绿光/黄光LED、光电探测器 |
（二）Ⅱ-Ⅵ族化合物
由Ⅱ族元素（Zn、Cd等）与Ⅵ族元素（S、Se、Te等）组成，主要用于光电子与薄膜器件。
- 碲化镉（CdTe）：掺入铟（In）、铝（Al）形成n型，直接带隙（1.44 eV），光吸收系数高，是薄膜太阳能电池的核心材料（转换效率超22%），也用于红外探测器。
- 硫化锌（ZnS）：掺入铝（Al）、镓（Ga）形成n型，禁带宽度3.54 eV，透明导电性好，用于发光材料（如荧光粉）、红外窗口及电致发光器件。
- 硒化锌（ZnSe）：掺入铝（Al）、氯（Cl）形成n型，直接带隙（2.7 eV），蓝光发射性能优异，曾用于蓝光LED（后被GaN取代），现仍用于激光二极管、光学涂层。
氧化物半导体
氧化物半导体以金属氧化物为基础，具有透明、柔性、低成本等优势，在显示、传感、功率领域发展迅速。
| 材料名称 | 常用掺杂元素 | 关键特性 | 主要应用领域 |
|---|---|---|---|
| 氧化锌（ZnO） | Al、Ga、In | 宽禁带（3.37 eV），电子迁移率较高（约200 cm²/(V·s)），透明导电 | 透明电极（太阳能电池、显示屏）、紫外光电器件、气体传感器 |
| 氧化铟锡（ITO） | Sn（掺入In₂O₃） | 透光率＞90%，电阻率低（10⁻⁴ Ω·cm），导电性好 | 触摸屏、液晶显示（LCD/OLED）电极、太阳能电池透明电极 |
| 氧化镓（Ga₂O₃） | Si、Sn | 超宽禁带（4.9 eV），击穿电场极高（8 MV/cm），Baliga优值高 | 新一代功率器件（新能源汽车、电网）、深紫外探测器 |
| 氧化锌锡（ZTO） | Sb、Ta | 非晶结构，均匀性好，透明导电，柔性可弯曲 | 柔性薄膜晶体管（TFT）、可穿戴设备电子器件 |
有机半导体
有机半导体以含碳有机小分子或聚合物为基础，通过分子设计实现n型导电，具有柔性、溶液加工、低成本优势，是新兴半导体方向。
- 富勒烯衍生物（如PCBM）：最常用的有机n型半导体，电子迁移率约10⁻³~10⁻² cm²/(V·s)，通过自掺杂或界面修饰提升性能，用于有机太阳能电池（作为电子受体）、有机场效应晶体管（OFET）。
- 萘酰亚胺类（如NDI）：强吸电子单元，电子迁移率可达0.1~1 cm²/(V·s)，稳定性好，用于柔性电子、逻辑电路、传感器。
- 苝酰亚胺类（如PTCDI）：共轭结构稳定，电子迁移率约10⁻²~10⁻¹ cm²/(V·s)，用于有机光探测器、OFET及发光器件。
FAQs
Q1：n型半导体与p型半导体的核心区别是什么？
A：核心区别在于多数载流子类型与掺杂机制，n型半导体通过掺入施主杂质（如Ⅴ族元素），提供多余电子作为多数载流子，导电以电子为主；p型半导体通过掺入受主杂质（如Ⅲ族元素），形成空穴作为多数载流子，导电以空穴为主，二者能带结构中费米能级位置不同：n型费米能级靠近导带底，p型靠近价带顶。
Q2：为什么氧化镓（Ga₂O₃）被称为新一代功率半导体材料？
A：氧化镓的核心优势在于超宽禁带（4.9 eV，是硅的4倍多、碳化硅的1.5倍），导致其击穿电场极高（8 MV/cm，是硅的20倍、碳化硅的2倍），可承受更高电压；同时Baliga优值（衡量功率器件性能的关键指标）是碳化硅的4倍、硅的3441倍，意味着在相同功率下，Ga₂O₃器件尺寸更小、损耗更低，Ga₂O₃可通过熔体法低成本制备大尺寸单晶，综合性能与成本优势使其成为新能源汽车、智能电网等高压功率领域的理想材料。
