退化態半導體

退化半導體、退化態半導體、過半半導體（英語：degenerate semiconductor，中國大陸作簡併半導體，香港作簡並半導體）。是雜質半導體的一種，它具有較高的摻雜濃度，因而它表現得更接近金屬。

「退化態半導體」的各地常用名稱
中國大陸	簡併半導體
臺灣	退化半導體、退化態半導體、過半半導體[1]

比較

• 退化態半導體(Degenerate semiconductors):
  • 高摻雜
  • 高的電子或電洞濃度
  • 依循包立不相容原理(Pauli's exclusion principle)

• 非退化態半導體(Non degenerate semiconductors):
  • 輕摻雜
  • 較少的的電子或電洞濃度
  • 違反包立不相容原理(Pauli's exclusion principle)

說明及應用

以N型半導體為例，當摻雜雜質原子之前，在它的能帶圖中，費米能階${\displaystyle E_{F}}$位於價帶頂${\displaystyle E_{V}}$和導帶底${\displaystyle E_{C}}$的中線處。如果逐漸添加施體雜質，在輕度摻雜的情況下，雜質原子會形成雜質能階，並通過受熱激發的形式向導帶提供電子，費米能階將逐漸向導帶靠攏。繼續增加施體雜質摻雜濃度，當費米能階接近導帶底，使得${\displaystyle 0<E_{C}-E_{F}<2k_{0}T}$（其中${\displaystyle k_{0}}$為波爾茲曼常數，${\displaystyle T}$為半導體的熱力學溫標），這時半導體為弱退化態狀態；如果費米能階進入導帶，即${\displaystyle E_{C}-E_{F}<0}$，則半導體處於退化態狀態。^[2]分析處於退化態狀態下半導體的載子濃度必須應用嚴格的費米–狄拉克統計，而不能採用數學計算相對簡單的馬克士威-波茲曼統計，這是由於導帶底附近的量子態基本上都被電子占據（價帶頂附近的量子態也基本上都被電洞占據），微觀粒子之間的情況必須考慮包立不相容原理。^[3]研究發現，當N型半導體處於退化態狀態下時，其施體雜質並未完全電離，在室溫下矽半導體中只有8.4%的施體雜質電離^[4]。

在摻雜程度足夠高、進入退化態狀態的情況下，不同原子的電子會形成共有化運動，即這些原子的電子運動波函數相互重疊，從而使雜質能階形成連續的能帶。這個雜質能帶填充了原來價帶、導帶之間的能隙，這樣，退化態半導體的能隙寬度就減小了，^[5]從而顯示出一些不同尋常的性質。例如，當溫度升高，退化態半導體的導電性能不會顯著增加。另一方面，退化態半導體的載子濃度儘管比非退化態半導體高，但還是遠低於金屬，因此它們會顯示出介於半導體和金屬的性質。

許多銅的硫化物都是退化態的P型半導體，它們的價帶中電洞濃度相對較高。摻雜鎂的LaCuOS_1-xSe_x就是這樣的一個例子。它是一種寬能隙的P型退化態半導體。其電洞濃度基本不隨溫度改變，這是退化態半導體的特徵之一。^[6]另一個典型的例子是氧化銦錫，由於它的電漿振盪頻率在紅外範圍，^[7]因此它是相當好的導體，而且它在可見光頻域為透明的。

重摻雜的退化態半導體應用較為廣泛。1958年研製成功的隧道二極體就是利用這樣的重摻雜退化態半導體製成的，其中N型半導體的費米能階進入導帶，而P型半導體的費米能階進入價帶。^[8]這項發明使其發明者江崎玲于奈在1973年被授予諾貝爾物理學獎。^[9]

摻雜物的濃度和原本的半導體原子濃度比起來差距非常大，以一個有晶格結構的矽本徵半導體而言，原子濃度大約是5×10²²cm^-3，而一般積體電路製程裡的摻雜濃度約在10¹³cm^-3至10¹⁸cm^-3之間。摻雜濃度在10¹⁸cm^-3以上的半導體在室溫下通常就會被視為是一個「退化態半導體」。因此，重摻雜的半導體其摻雜物濃度約半導體原子的濃度的千分之一以上稱之，而輕摻雜則可能會到十億分之一的比例。