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半导体器件有哪些?常见的半导体器件种类和应用介绍

769 2022-03-24 来源: IC先生 作者: IC先生

半导体器件由既不是良导体也不是良绝缘体的材料构成,称为半导体。这种器件由于其可靠性、紧凑性和低成本而建立了广泛的应用。它们都是用于功率器件、紧凑型光学传感器和光发射器(包括固态激光器)的分立元件。

半导体器件具有广泛的电流和电压处理能力,额定电流超过 5,000安培,额定电压超过100,000伏。更重要的是,半导体器件适合集成到复杂但易于构建的微电子电路中。此外,半导体器件很有可能成为大多数电子系统的关键元素,包括与数据处理、消费和工业控制设备的通信。

半导体器件的概念

半导体设备只不过是利用半导体材料(如硅、锗和砷化镓)以及有机半导体的电子特性的电子元件。在许多应用中,半导体器件已经取代了真空管。它们使用固态电子传导,而不是高真空中的热电子发射。

半导体器件是为分立器件和集成电路制造的,它们由在单个半导体衬底或晶片上制造和互连的数个到数十亿个器件组成。从广义上说,半导体器件分类有很多,包括分立器件、光电半导体、逻辑IC、模拟IC、集成电路等。而从电子元件设备的角度来看,半导体器件泛指分立器件,这也是本文所要介绍的内容。

半导体器件

半导体器件的制作材料

半导体材料的有用之处在于它们的行为可以通过添加杂质(称为掺杂)轻松控制。半导体电导率可以通过电场或磁场、暴露于光或热或掺杂单晶网格的机械变形来控制;因此,半导体可以制造出色的传感器。半导体中的电流传导没有电子和空穴,统称为电荷载流子。硅的掺杂是通过添加少量杂质原子和磷或硼来完成的,显着增加了半导体内的电子或空穴的数量。

当掺杂的半导体含有多余的空穴时,它被称为“p型”(空穴正极)半导体,而当它含有过量的自由电子时,它被称为“n型”(电子负极)半导体,是大多数移动电荷载体的充电标志。在n型和p型半导体连接在一起形成的结称为p-n结。

制作半导体器件的常用材料有硅、锗和砷化镓。

硅 (Si) 是半导体器件中使用最广泛的材料。它具有较低的原材料成本和相对简单的工艺。其有用的温度范围使其成为目前各种竞争材料中的最佳折衷方案。半导体器件制造中使用的硅目前被制造成直径足够大的碗,以允许制造300毫米(12 英寸)的晶片。

硅原子结构

锗 (Ge) 是早期半导体材料中广泛使用的一种,但其热敏感性不如硅。如今,锗经常与(Si)硅合金化,用于超高速SiGe器件。

砷化镓 (GaAs) 也广泛用于高速器件,但到目前为止,这种材料很难形成大直径碗,限制了晶圆直径尺寸明显小于硅晶圆,从而使砷化镓大规模生产(GaAs) 器件比硅贵得多。

常见的半导体器件种类

常见半导体器件主要包括二端子、三端子和四端子器件。

两端设备包括:

  • 二极管(整流二极管)
  • 耿氏二极管
  • 冲击二极管
  • 激光二极管
  • 齐纳二极管
  • 肖特基二极管
  • PIN二极管
  • 隧道二极管
  • 发光二极管 (LED)
  • 光电晶体管
  • 光电管
  • 太阳能电池
  • 瞬态电压抑制二极管
  • VCSEL

三端设备包括:

  • 双极晶体管
  • 场效应晶体管
  • 达林顿晶体管
  • 绝缘栅双极晶体管 (IGBT)
  • 单结晶体管
  • 可控硅整流器
  • 晶闸管
  • 双向可控硅

四端设备包括:

  • 光电耦合器(光耦合器)
  • 霍尔效应传感器(磁场传感器)

二极管

半导体二极管是通常由单个pn结组成的器件。p型和n型半导体的结形成耗尽区,其中由于缺少移动电荷载流子而保留了电流传导。当器件正向偏置时,该耗尽区减小,允许显着导通,当二极管反向偏置时,只能实现较小的电流,并且可以扩展耗尽区。将半导体暴露在光下会产生电子空穴对,这会增加自由载流子的数量,从而增加电导率。为利用这种现象而优化的二极管称为光电二极管。化合物半导体二极管也被用于产生光、发光二极管和激光二极管。

二极管

晶体管

双极结型晶体管由两个pn结形成,采用pnp或npn配置。中间或底部,接头之间的区域通常很窄。其他区域及其相关端子称为发射极和集电极。通过基极和发射极之间的结注入的小电流会改变基极集电极结的特性,因此即使它是反向偏置的,它也可以传导电流。这会在集电极和发射极之间产生更大的电流,并由基极-发射极电流控制。

晶体管

另一种晶体管称为场效应晶体管,它的工作原理是半导体导电率可以通过电场的存在而增加或减少。电场可以增加半导体中电子和空穴的数量,从而改变其导电性。电场可以通过反向偏置的pn结施加,形成结型场效应晶体管 (JFET) 或通过氧化物层与块状材料绝缘的电极,形成金属氧化物半导体场-效应晶体管(MOSFET)。

现在用得最多的是MOSFET,一种固态器件,还有半导体器件。栅电极被充电以产生一个电场,该电场可以控制两个端子之间的“通道”的导电性,称为源极和漏极。根据沟道中载流子的类型,器件可能是n沟道(用于电子)或p沟道(用于空穴)MOSFET。

半导体器件的主要应用

半导体器件是几乎所有电子器件的基础,半导体器件的一些应用是:

  • 所有类型的晶体管都可以用作逻辑门的构建块,这对数字电路的设计很有用。
  • 在微处理器等数字电路中,晶体管充当开关(通断);例如,在 MOSFET 中,施加在栅极上的电压决定了开关是打开还是关闭。
  • 用于模拟电路的晶体管不充当开关(通断);相对而言,它们以连续范围的输出响应连续范围的输入。常见的模拟电路包括振荡器和放大器。
  • 在模拟电路和数字电路之间进行接口或转换的电路称为混合信号电路。

半导体器件的应用


半导体器件的主要优势

在电子设备和组件的制造中使用半导体器件(以及基础半导体材料)的主要原因是能够轻松控制其电荷载流子(即电子和空穴)的导电性。如前所述,半导体材料的电导率介于导体和绝缘体之间。甚至这种电导率也可以通过外部或内部因素进一步控制,例如电场、磁场、光、温度和机械变形,其主要优势表现在以下几个方面:

由于半导体器件没有灯丝,因此不需要功率来加热它们以引起电子的发射。

  • 由于不需要加热,因此只要电路接通,半导体器件就会开始运行。
  • 在运行过程中,半导体器件不会产生任何嗡嗡声。
  • 与真空管相比,半导体器件需要低电压操作。
  • 由于它们的尺寸小,涉及半导体器件的电路非常紧凑。
  • 半导体设备是防震的。
  • 与真空管相比,半导体器件更便宜。
  • 半导体器件的寿命几乎是无限的。
  • 由于不必在半导体器件中产生真空,因此它们没有真空劣化问题。

半导体器件的主要劣势

任何东西都不是完美的,有优势自然就有缺点,主要是二者占比的问题。对于半导体器件来说也是有缺点,主要表现如下:

  • 与真空管相比,半导体器件的噪声水平更高。
  • 普通的半导体器件无法像普通真空管那样处理更多的功率。
  • 在高频范围内,半导体器件反应较差。

总结

简而言之,半导体器件是一种基于硅(Si)、锗(Ge)和砷化镓(GaAs)等半导体材料设计、开发和制造的电子元件。自1940年代末(或 1950年代初)使用以来,半导体成为制造电子产品及其变体(如光电子学和热电子学)的主要材料。

电子元器件中使用半导体材料之前,真空管用于电子元件的设计。真空管与半导体器件的主要区别在于,在真空管中,电子的传导以气态发生,而在半导体器件的情况下,电子的传导以“固态”发生。

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