半导体、导体和绝缘体有什么区别？

绝缘体被击穿后，电阻率下降，转化为导体。

电介质是能被电极化的绝缘体。电介质的带电粒子被原子、 分子的内力或分子之间的力紧密束缚，因此这些粒子的电荷是束缚电荷。在外电场的作用下，这些电荷只能在微观范围内移动极化。

• 电介质是绝缘体，
• 另一方面，所有绝缘体都可以作为电介质

绝缘材料的介电性能 (第一期) 绝缘材料的介电性能 (第二期) 绝缘材料的介电性能 （第三期） 绝缘材料的介电性能 (第四期) 绝缘材料的介电性能 (第五期) 绝缘材料的介电性能 (第六期) 绝缘材料的介电性能 (第七期)

绝缘体的四个参数(四个重要性质)----介电性能 (第二期)来自绝缘材料 四个参数包括描述极化的相对介电常数εr，介电损耗也有描述tanδ，还有描述电导特性的电导率γ，以及对击穿场强度的描述Eb。

• 极化：在比较小的电场作用下，束缚电荷会在电场作用下产生极化。
• 电导：除了束缚电荷外，绝缘材料中还有一些较少的自由电荷。在电场的作用下，自由电荷会在材料中迁移，从而产生电导。
• 损失：束缚电荷和自由电荷会在电场中产生新的响应，表现为损失。因此，部分损失来自极化，部分损失来自电导。归根结底，它们都来自电荷的作用，即束缚电荷和自由电荷在电场中的响应机制。
• 击穿：击穿过程主要涉及物理机制，即自由电荷如何在外加强电场中产生数量倍增。

用于测量绝缘体储存电能(电容特性)的介电常数。介电常数代表介质的极化程度，也就是说，介电常数越大，介电常数越强。

• 介电常数与介质导电能力无关，极化与电容密切相关，介质导电能力与电阻率有关。
• 导电率决定了导体或绝缘体的区别。介电常数是绝缘体的一种性质，即绝缘体的极化能力（约束电荷的能力）。

提前知识：电击穿。 材料通常根据其电阻率分为导体或绝缘体。 在塑料和陶瓷材料中，所有电子都与原子紧密结合，因此在正常情况下，材料中几乎没有可移动的电荷载流子。施加电压只会导致非常小的电流流动，使材料具有电阻率很高，分为绝缘体。 如果施加足够强的电场，所有绝缘体都将成为导体。如果施加在绝缘体上的电压增加，在一定的电场下，材料中的电荷载流子数量急剧增加，电阻率下降，导致强电流流过。这叫电击穿。。

• 击穿电压的定义： 使电介质击穿电压。在足够强的电场作用下，电介质将失去其介电性能作为导体，称为电介质击穿，相应的电压称为击穿电压。
• 电介质击穿时的电场强度称为击穿场强。不同的电介质在相同的温度下有不同的击穿场强度。(击穿场强通常也称为电介质的介电强度。
• 击穿电压与击穿场强的关系：当电容器介质与两极板之间的距离d一定后,由U1-U2=Ed知道，击穿场强决定了击穿电压。
• 电介质的介电强度是提高电容器耐压性的关键作用

介电强度是一种材料作为绝缘体时的电强度的量度，其实就是击穿场强。 它被定义为样品被击穿时，单位厚度承受的最大电压,表示为伏特每单位厚度。物质的介电强度越大它作为绝缘体的质量越好。 测试方法—将试样放置在电极之间，并通过一系列的步骤升高所施加的电压直到发生介电击穿，以此测量介电强度。

• 介电强度与介电常数并不相同，并不是完全正相关（但可能存在某些关系）

附带知识： 场强（电场强度） 是放入电场中某点的电荷所受静电力F跟它的电荷量比值，定义式E=F/q ，适用于一切电场；其中F为电场对试探电荷的作用力，q为试探电荷的电荷量。单位N/C。

• 定义式：E=F/q ，F为电场对试探电荷的作用力，q为放入电场中某点的检验电荷（试探电荷）的电荷量。
• 真空中点电荷场强公式：E=KQ/r2 （k为静电力常量k=9.0×10^9N.m2/C^2）
• 匀强电场场强公式：E=U/d（d为沿场强方向两点间距离）,所以单位也可以是 V/cm
• 平行板电容器间的场强E=U/d=4πkQ/eS

• 电学性能 二氧化硅膜是一种良好的绝缘膜. 电阻率在300K时约10¹⁵Ω·cm,介电强度约10⁶V/cm,介电常数约3.4 (300K,10kHz),所以在半导体器件(特别是集成电路)的制造工艺中有着极广泛的应用. 它可以用作绝缘层、杂质扩散或离子注入时的掩模、电容或MOS电路中栅极下的介质层等.

百度百科—电气强度 与相同材料的较厚的样品相比，介电膜倾向于表现出更高的介电强度。例如，几百纳米至几微米厚的二氧化硅膜的介电强度大约为0.5GV / m（即5MV/cm）。然而非常薄的层（下面，比方说，100纳米）成为由于部分导电电子隧穿。

论文报告的绝缘性能：

• 等离子体淀积二氧化硅的抗电特性_许春芳 PECVD, 5MV/cm时击穿率在百分之10以内
• MOS结构二氧化硅层中电子热化与击穿_张积之 电场大于5MV/cm后，电子热化导致击穿

• 热学性能 二氧化硅的物理形态（熔融、结晶等）不同,故热导率有一定差异,平均值为1.4W/m.k。 二氧化硅热膨胀系数为0.5×10^-6/K。（17-4PH不锈钢的热膨胀系数为11.3 x 10^-6/k）
• 力学性能

氧化铝电阻率高，电绝缘性能好，常温电阻率10¹⁵Ω·cm，绝缘强度15kV/mm（0.15MV/cm）。机械强度高，氧化铝陶瓷烧结产品的抗弯强度可达250MPa，热压产品可达500MPa，强度在高温下可维持到900℃。

Al2O3最重要的性质是具有很高的介电常数（约为 8.1）(理想情况为9)。，很低的金属离子渗透率，抗辐射能力强，化学稳定性好，导热系数大，且其绝缘性非常好，电阻率为3×10¹⁵Ω·m，但被用作绝缘材料在高温下也存在一些问题，这个担心主要来自γ-Al203到 -Al203的晶型转变，然而由于这个变化是十分缓慢的，并且在 1000℃以上才会发生，因此这并不会造成太大的问题.。

京瓷氧化铝陶瓷性能

论文中报告的氧化铝绝缘性能

• 化学液相沉积制备氧化铝薄膜及在TENG中的应用_阮璐（击穿场强1.74MV每cm）
• H. Bartzsch, D. Glöß, B. Böcher, et al. Properties of SiO2 and Al2O3 films for electrical insulation applications deposited by reactive pulse magnetron sputtering[J]. Surface and Coatings Technology, 2003, 174: 774-778. （Bartzsch 等使用脉冲磁控溅射法制备了 Si O2/Al2O3 多层膜，其制备的多层膜最大的击穿场强为 8.1 MV/cm，最大电常数为 7，完全符合传感器绝缘薄膜的使用标准）

氮化铝(AlN)具有高强度、高体积电阻率、高绝缘耐压、热膨胀系数与硅匹配好等特性，不但用作结构陶瓷的烧结助剂或增强相，尤其是在近年来大火的陶瓷电子基板和封装材料领域，其性能远超氧化铝。

氮化铝的缺点：

• AIN具有强烈的吸湿性，极易与空气中的水蒸气反应;
• 在空气中，AIN的初始氧化温度为700~800℃（一般电子元器件的使用环境会低于该温度）。

原文網址: 氮化铝应用 https://www.mlti.com.tw/EquipmentManufacturer/%E6%B0%91%E7%94%A8%E5%86%9B%E7%94%A8%E4%B8%80%E6%89%8B%E6%8A%93:%E9%AB%98%E6%80%A7%E8%83%BD%E6%B0%AE%E5%8C%96%E9%93%9D%E6%9D%90%E6%96%99%E5%BA%94%E7%94%A8%E5%A4%A7%E5%85%A8/ 著作權歸作者所有。商業轉載請聯絡作者獲得授權，非商業轉載請註明出處。

对比氮化铝与氧化铝，发现：

• 导热率大大超越氧化铝（氮化铝320W/(m.k)—氧化铝12W/(m.k)）
• 击穿场强比氧化铝好两个数量级（氮化铝11.7x10⁶V/cm----氧化铝12x10⁶V/m）

五氧化二钽（Ta2O5）为白色无色结晶粉末，是钽最常见的氧化物，也是钽在空气中燃烧生成的最终产物。主要用作拉钽酸锂单晶和制造高折射低色散特种光学玻璃用，化工中可作催化剂。也用于电子工业。

• 电学特性 介电常数很高，但击穿场强相对较低。 介电常数25，有论文的氧化钽薄膜将介电常数做到了80以上。 但是磁控溅射产生的氧化钽薄膜击穿场强通常小于1MV/cm（吊诡的是，有论文报道PECVD制备的氧化钽薄膜的击穿场强达到了5MV/cm）。 所以研究中通常将五氧化二钽用于高K栅介质，但很少有将其用于普通的绝缘膜。

论文报道：

磁控溅射法：沉积慢，击穿场强较低（不如ALN，可能还不如SiO2）

• 五氧化二钽薄膜的制备及其I-U特性_王超（直流磁控溅射，10min生长143nm，击穿场强0.3MV每cm）
• 中频交流反应溅射氧化钽薄膜制备及介电性能研究_王超（生长速度3.8nm每分钟，击穿场强2.2MV每cm）
• 氧化钽高K薄膜的制备、结构和光、电性能的研究_张幸福（磁控溅射，3nm每分钟，击穿场强0.05MV每cm）
• 高介电氧化钽薄膜制备与介电性能分析_曲铭浩（直流磁控溅射，700秒生长75nm（10nm/min，算很快的了），介电常数34）
• 原位沉积温度对电子束蒸镀Ta_2O_5薄膜性能的影响_于龙宇（4nm每分钟，150nm的膜击穿电压为30V）

PECVD法：沉积快，击穿场强高

• 乙醇钽化学气相沉积制备Ta_2O_5薄膜研究进展_杨声海（PECVD制备法，击穿场强5MV每cm，借鉴################）
• Ta_2O_5薄膜制备的研究现状及进展_陈胜龙（CVD和电子束蒸镀适合工业应用，1.4um每小时，有CVD高达8um每小时）
• Metallorganic chemical vapor deposition of Ta2O5 films（8um每小时的沉积速率）

二氧化铪(HfO2)是一种具有较高介电常数的氧化物。作为一种介电材料，因其较高的介电常数值(~20)，较大的禁带宽度(~5.5eV)，以及在硅基底上良好的稳定性，HfO2被认为是替代场效应晶体管中传统SiO2介电层的理想材料。如果互补金属氧化物半导体器件尺寸低于1μm，以二氧化硅为传统栅介质的技术会带来芯片的发热量增加、多晶硅损耗等一系列问题，随着晶体管的尺寸缩小，二氧化硅介质要求必须越来越薄，但Chemicalbook是漏电流的数值会因为量子效应的影响随着二氧化硅介质厚度的较小而急剧升高，所以急需一种更可行的物质来取代二氧化硅作为栅介质。二氧化铪是一种具有宽带隙和高介电常数的陶瓷材料，近来在工业界特别是微电子领域被引起极度的关注，由于它很可能替代目前硅基集成电路的核心器件金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的栅极绝缘层二氧化硅(SiO2)，以解决目前MOSFET中传统SiO2/Si结构的发展的尺寸极限问题。 根 据电容公式 C＝ε0*εr *S ／d 可以看出，利用高 k 介质材 料替代传统 SiO2 作为栅介质，可以在保持等效氧化层厚度 EOT （ 在保持栅电容值不变的条件下，以相 对介电常数为3.9的 SiO2 作为标准得到的栅介质 层厚度） 不变的条件下，通过增加介质层的物理厚 度，可以大大减小直接隧穿效应和栅介质层承受的电场强度。—来自《恒电流应力引起 HfO2栅介质薄膜的击穿特性》

氧化铪的缺点：

• 氧化铪介电常数很高（20），但是击穿场强却不是很高，并且研究不多。 论文1：HfO_2薄膜制备工艺及其性能研究_赵恒利（磁控溅射20min18nm，原子层沉积法的击穿场强约为4MV每cm） 论文2：二氧化铪薄膜的磁控溅射制备与性质研究_赵鹏（1.2.2节：Hf O2 亦具有较高的击穿场强，约为 3.9-6.7 MV/cm，利于保持器件的稳定性） 论文3：基于ALD生长的氧化铪薄膜器件的电学特性研究_张冠群(沉积速率0.1nm每分钟，击穿场强4MV每cm)。此外，文中绪论部分指出：HfO２具有髙介电常数>(２５)，相对较宽的带隙约5.8ｅＶ，高击穿电场(＞５ＭＶ/ｃｍ)
• 氧化铪薄膜的沉积速度慢。

论文中的报道

绝缘性能：

• HfO_2薄膜制备工艺及其性能研究_赵恒利（磁控溅射20min18nm，原子层沉积法的击穿场强约为4MV每cm）
• 基于ALD生长的氧化铪薄膜器件的电学特性研究_张冠群(沉积速率0.1nm每分钟，击穿场强4MV每cm)。此外，文中绪论部分指出：HfO２具有髙介电常数>(２５)，相对较宽的带隙约5.8ｅＶ，高击穿电场(＞５ＭＶ/ｃｍ)
• 超薄HfO_2高K栅介质薄膜的软击穿特性_韩德栋（10nm薄膜击穿电压4.3V，即4.3MV/cm）

制备工艺