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半导体

[ 浏览次数:约450次 ] 发布日期:2016-11-01

半导体( semiconductor),指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。如二极管就是采用半导体制作的器件。半导体是指一种导电性可受控制,范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看,半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品,如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等,而硅更是各种半导体材料中,在商业应用上最具有影响力的一种。


目录
分类
特点
应用
命名方案
发展前景
半导体与集成电路的关系
相关短语


分类


半导体材料很多,按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物(砷化镓、磷化镓等)、第Ⅱ和第Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体(镓铝砷、镓砷磷等)。除上述晶态半导体外,还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

半导体的分类,按照其制造技术可以分为:集成电路器件,分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、储存器等大类,一般来说这些还会被分成小类。此外还有以应用领域、设计方法等进行分类,虽然不常用,但还是按照IC、LSI、VLSI(超大LSI)及其规模进行分类的方法。此外,还有按照其所处理的信号,可以分成模拟、数字、模拟数字混成及功能进行分类的方法。


特点


半导体五大特性∶掺杂性,热敏性,光敏性,负电阻率温度特性,整流特性。

★在形成晶体结构的半导体中,人为地掺入特定的杂质元素,导电性能具有可控性。

★在光照和热辐射条件下,其导电性有明显的变化


应用


最早的实用“半导体”是「电晶体(Transistor)/二极体(Diode)」。

一、在无线电收音机(Radio)及电视机(Television)中,作为“讯号放大器/整流器”用。

二、发展「太阳能(Solar Power)」,也用在「光电池(Solar Cell)」中。

三、半导体可以用来测量温度,测温范围可以达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域,有较高的准确度和稳定性,分辨率可达0.1℃,甚至达到0.01℃也不是不可能,线性度0.2%,测温范围-100~+300℃,是性价比极高的一种测温元件。

四、半导体致冷器的发展, 它也叫热电致冷器或温差致冷器, 它采用了帕尔贴效应.


命名方案


中国半导体器件型号命名方法


半导体器件型号由五部分(场效应器件、半导体特殊器件、复合管、PIN型管、激光器件的型号命名只有第三、四、五部分)组成。五个部分意义如下:

第一部分:用数字表示半导体器件有效电极数目。2-二极管、3-三极管

第二部分:用汉语拼音字母表示半导体器件的材料和极性。表示二极管时:A-N型锗材料、B-P型锗材料、C-N型硅材料、D-P型硅材料。表示三极管时:A-PNP型锗材料、B-NPN型锗材料、C-PNP型硅材料、D-NPN型硅材料。

第三部分:用汉语拼音字母表示半导体器件的内型。P-普通管、V-微波管、W-稳压管、C-参量管、Z-整流管、L-整流堆、S-隧道管、N-阻尼管、U-光电器件、K-开关管、X-低频小功率管(F<3MHz,Pc<1W)、G-高频小功率管(f>3MHz,Pc<1W)、D-低频大功率管(f<3MHz,Pc>1W)、A-高频大功率管(f>3MHz,Pc>1W)、T-半导体晶闸管(可控整流器)、Y-体效应器件、B-雪崩管、J-阶跃恢复管、CS-场效应管、BT-半导体特殊器件、FH-复合管、PIN-PIN型管、JG-激光器件。

第四部分:用数字表示序号

第五部分:用汉语拼音字母表示规格号

例如:3DG18表示NPN型硅材料高频三极管


日本半导体分立器件型号命名方法


日本生产的半导体分立器件,由五至七部分组成。通常只用到前五个部分,其各部分的符号意义如下:

第一部分:用数字表示器件有效电极数目或类型。0-光电(即光敏)二极管三极管及上述器件的组合管、1-二极管、2三极或具有两个pn结的其他器件、3-具有四个有效电极或具有三个pn结的其他器件、┄┄依此类推。

第二部分:日本电子工业协会JEIA注册标志。S-表示已在日本电子工业协会JEIA注册登记的半导体分立器件。

第三部分:用字母表示器件使用材料极性和类型。A-PNP型高频管、B-PNP型低频管、C-NPN型高频管、D-NPN型低频管、F-P控制极可控硅、G-N控制极可控硅、H-N基极单结晶体管、J-P沟道场效应管、K-N 沟道场效应管、M-双向可控硅。

第四部分:用数字表示在日本电子工业协会JEIA登记的顺序号。两位以上的整数-从“11”开始,表示在日本电子工业协会JEIA登记的顺序号;不同公司的性能相同的器件可以使用同一顺序号;数字越大,越是最新产品。

第五部分:用字母表示同一型号的改进型产品标志。A、B、C、D、E、F表示这一器件是原型号产品的改进产品。


美国半导体分立器件型号命名方法


美国晶体管或其他半导体器件的命名法较混乱。美国电子工业协会半导体分立器件命名方法如下:

第一部分:用符号表示器件用途的类型。JAN-军级、JANTX-特军级、JANTXV-超特军级、JANS-宇航级、(无)-非军用品。

第二部分:用数字表示pn结数目。1-二极管、2=三极管、3-三个pn结器件、n-n个pn结器件。

第三部分:美国电子工业协会(EIA)注册标志。N-该器件已在美国电子工业协会(EIA)注册登记。

第四部分:美国电子工业协会登记顺序号。多位数字-该器件在美国电子工业协会登记的顺序号。

第五部分:用字母表示器件分档。A、B、C、D、┄┄-同一型号器件的不同档别。如:JAN2N3251A表示PNP硅高频小功率开关三极管,JAN-军级、2-三极管、N-EIA 注册标志、3251-EIA登记顺序号、A-2N3251A档。


国际电子联合会半导体型号命名方法


德国、法国、意大利、荷兰、比利时等欧洲国家以及匈牙利、罗马尼亚、南斯拉夫、波兰等东欧国家,大都采用国际电子联合会半导体分立器件型号命名方法。这种命名方法由四个基本部分组成,各部分的符号及意义如下:

第一部分:用字母表示器件使用的材料。A-器件使用材料的禁带宽度Eg=0.6~1.0eV 如锗、B-器件使用材料的Eg=1.0~1.3eV 如硅、C-器件使用材料的Eg>1.3eV 如砷化镓、D-器件使用材料的Eg<0.6eV 如锑化铟、E-器件使用复合材料及光电池使用的材料

第二部分:用字母表示器件的类型及主要特征。A-检波开关混频二极管、B-变容二极管、C-低频小功率三极管、D-低频大功率三极管、E-隧道二极管、F-高频小功率三极管、G-复合器件及其他器件、H-磁敏二极管、K-开放磁路中的霍尔元件、L-高频大功率三极管、M-封闭磁路中的霍尔元件、P-光敏器件、Q-发光器件、R-小功率晶闸管、S-小功率开关管、T-大功率晶闸管、U-大功率开关管、X-倍增二极管、Y-整流二极管、Z-稳压二极管

第三部分:用数字或字母加数字表示登记号。三位数字-代表通用半导体器件的登记序号、一个字母加二位数字-表示专用半导体器件的登记序号。

第四部分:用字母对同一类型号器件进行分档。A、B、C、D、E┄┄-表示同一型号的器件按某一参数进行分档的标志。

除四个基本部分外,有时还加后缀,以区别特性或进一步分类。常见后缀如下:

1.稳压二极管型号的后缀。其后缀的第一部分是一个字母,表示稳定电压值的容许误差范围,字母A、B、C、D、E分别表示容许误差为±1%、±2%、±5%、±10%、±15%;其后缀第二部分是数字,表示标称稳定电压的整数数值;后缀的第三部分是字母V,代表小数点,字母V之后的数字为稳压管标称稳定电压的小数值。

2.整流二极管后缀是数字,表示器件的最大反向峰值耐压值,单位是伏特。

3.晶闸管型号的后缀也是数字,通常标出最大反向峰值耐压值和最大反向关断电压中数值较小的那个电压值。

如:BDX51-表示NPN硅低频大功率三极管,AF239S-表示PNP锗高频小功率三极管。


欧洲早期半导体分立器件型号命名法


欧洲有些国家命名方法

第一部分:O-表示半导体器件

第二部分:A-二极管、C-三极管、AP-光电二极管、CP-光电三极管、AZ-稳压管、RP-光电器件。

第三部分:多位数字-表示器件的登记序号。

第四部分:A、B、C┄┄-表示同一型号器件的变型产品。


发展前景


以GaN(氮化镓)为代表的第三代半导体材料及器件的开发是新兴半导体产业的核心和基础,其研究开发呈现出日新月异的发展势态。GaN基光电器件中,蓝色发光二极管LED率先实现商品化生产 成功开发蓝光LED和LD之后,科研方向转移到GaN紫外光探测器上 GaN材料在微波功率方面也有相当大的应用市场。氮化镓半导体开关被誉为半导体芯片设计上一个新的里程碑。美国佛罗里达大学的科学家已经开发出一种可用于制造新型电子开关的重要器件,这种电子开关可以提供平稳、无间断电源 。


半导体与集成电路的关系


半导体是指导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。我们知道,电路之所以具有某种功能,主要是因为其内部有电流的各种变化,而之所以形成电流,主要是因为有电子在金属线路和电子元件之间流动(运动/迁移)。所以,电子在材料中运动的难易程度,决定了其导电性能。常见的金属材料在常温下电子就很容易获得能量发生运动,因此其导电性能好;绝缘体由于其材料本身特性,电子很难获得导电所需能量,其内部很少电子可以迁移,因此几乎不导电。而半导体材料的导电特性则介于这两者之间,并且可以通过掺入杂质来改变其导电性能,人为控制它导电或者不导电以及导电的容易程度。这一点称之为半导体的可掺杂特性。

前面说过,集成电路的基础是晶体管,发明了晶体管才有可能创造出集成电路,而晶体管的基础则是半导体,因此半导体也是集成电路的基础。半导体之于集成电路,如同土地之于城市。很明显,山地、丘陵多者不适合建造城市,沙化土壤、石灰岩多的地方也不适合建造城市。“建造”城市需要选一块好地,“集成”电路也需要一块合适的基础材料——就是半导体。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓(化合物),其中应用最广的、商用化最成功的当推“硅”。

那么半导体,特别是硅,为什么适合制造集成电路呢?有多方面的原因。硅是地壳中最丰富的元素,仅次于氧。自然界中的岩石、砂砾等存在大量硅酸盐或二氧化硅,这是原料成本方面的原因。硅的可掺杂特性容易控制,容易制造出符合要求的晶体管,这是电路原理方面的原因。硅经过氧化所形成的二氧化硅性能稳定,能够作为半导体器件中所需的优良的绝缘膜使用,这是器件结构方面的原因。最关键的一点还是在于集成电路的平面工艺,硅更容易实施氧化、光刻、扩散等工艺,更方便集成,其性能更容易得到控制。因此后续主要介绍的也是基于硅的集成电路知识,对硅晶体管和集成电路工艺有了解后,会更容易理解这个问题。

除了可掺杂性之外,半导体还具有热敏性、光敏性、负电阻率温度、可整流等几个特性,因此半导体材料除了用于制造大规模集成电路之外,还可以用于功率器件、光电器件、力传感器、热电制冷等用途;利用微电子的超微细加工技术,还可以制成MEMS(微机械电子系统),应用在电子、医疗领域。


相关短语


半导体Semiconductor;intrinsic semiconductor

有机半导体[电子] organic semiconductor;TCNQ;OSTS

半导体晶体[电子] semiconductor crystal;[电子] semiconducting crystal;[电子] crystal semiconducting;[电子] Crystal Semiconductor

纯半导体intrinsic semiconductor;pure semiconductor

半导体玻璃semiconducting glass;semiconductorglass

半导体整流semiconductor rectifier;semiconductor rectifier,semiconductor rectifier

离子半导体ionic semiconductor

半导体芯片semiconductor chips;conductor chip;semiconductor pellet;semiconductor chip,semiconductor chip

半导体制冷semiconductor refrigeration;Semi-conductor refrigerant;Semiconductor Cooling;

晶格:晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵,称为晶格。

共价键结构:相邻的两个原子的一对最外层电子(即价电子)不但各自围绕自身所属的原子核运动,而且出现在相邻原子所属的轨道上,成为共用电子,构成共价键。

自由电子的形成:在常温下,少数的价电子由于热运动获得足够的能量,挣脱共价键的束缚变成为自由电子。

空穴:价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。

电子电流:在外加电场的作用下,自由电子产生定向移动,形成电子电流。

空穴电流:自由电子按一定的方向依次填补空穴(即空穴也产生定向移动),形成空穴电流。

本征半导体的电流:电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同,它们运动方向相反。

载流子:运载电荷的粒子称为载流子。

导体电的特点:导体导电只有一种载流子,即自由电子导电。

本征半导体电的特点:本征半导体有两种载流子,即自由电子和空穴均参与导电。

本征激发:半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。

复合:自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴,使两者同时消失,这种现象称为复合。

动态平衡:在一定的温度下,本征激发所产生的自由电子与空穴对,与复合的自由电子与空穴对数目相等,达到动态平衡。

载流子的浓度与温度的关系:温度一定,本征半导体中载流子的浓度是一定的,并且自由电子与空穴的浓度相等。当温度升高时,热运动加剧,挣脱共价键束缚的自由电子增多,空穴也随之增多(即载流子的浓度升高),导电性能增强;当温度降低,则载流子的浓度降低,导电性能变差。

结论:本征半导体的导电性能与温度有关。半导体材料性能对温度的敏感性,可制作热敏和光敏器件,又造成半导体器件温度稳定性差的原因。

杂质半导体:通过扩散工艺,在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素,可得到杂质半导体。

P型半导体:在纯净的硅晶体中掺入三价元素(如硼),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了P型半导体。

多数载流子:P型半导体中,空穴的浓度大于自由电子的浓度,称为多数载流子,简称多子。

少数载流子:P型半导体中,自由电子为少数载流子,简称少子。

受主原子:杂质原子中的空位吸收电子,称受主原子。

P型半导体的导电特性:它是靠空穴导电,掺入的杂质越多,多子(空穴)的浓度就越高,导电性能也就越强。

N型半导体:在纯净的硅晶体中掺入五价元素(如磷),使之取代晶格中硅原子的位置形成N型半导体。

多子:N型半导体中,多子为自由电子。

少子:N型半导体中,少子为空穴。

施主原子:杂质原子可以提供电子,称施主原子。

N型半导体的导电特性:掺入的杂质越多,多子(自由电子)的浓度就越高,导电性能也就越强。

结论:

多子的浓度主要决定于杂质浓度。

少子的浓度主要决定于温度。

PN结的形成:将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上,

PN结的形成过程

PN结的形成过程

在它们的交界面就形成PN结。

PN结的形成过程:如图所示,在无外电场和其它激发作用下,参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目,从而达到动态平衡,形成PN结。

扩散运动:物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动,这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。

空间电荷区:由于扩散运动使得PN结交界面产生一片复合区域,可以说这里没有多子,也没有少子。因为刚刚扩散过来就会立刻与异性复合,此运动不断发生着(此处请专家斟酌)。P区一侧出现负离子区,N区出现正离子区,它们基本上是固定的,称为空间电荷区。

电场形成:空间电荷区形成内电场。

空间电荷加宽,内电场增强,其方向由N区指向P区,阻止扩散运动的进行。

漂移运动:在电场力作用下,载流子的运动称漂移运动。

电位差:空间电荷区具有一定的宽度,形成电位差Uho,电流为零。

耗尽层:绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴的数目都非常少,在分析PN结时常忽略载流子的作用,而只考虑离子区的电荷,称耗尽层。

PN结的特点:具有单向导电性。



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