半导体初学者指南

半导体初学者指南

半导体是电子产业中使用的关键组件，它们在某些条件下导电，但在其他条件下不导电。半导体几乎存在于所有电子设备和电路中，是现代电子产品的基本组成部分。本文将详细介绍半导体的基础知识，包括其定义、特性、应用以及常见半导体元件类型。

什么是半导体？

半导体是电子产业中使用的关键组件，它们在某些条件下导电，但在其他条件下不导电。半导体是一种绝缘材料，在其温度升高到一定阈值时变成导体，这意味着它们可以控制电流通过它们，使它们成为许多不同类型的电子产品中非常有用的组件。

什么是半导体二极体？

半导体二极体是一种基本的半导体元件，也是第一种可用的半导体电子器件。简单来说，二极体是一种带有P-N结的半导体，P-N结是大多数半导体元件（包括二极体和晶体管）中使用的基本结构块，它基本上是两种半导体材料之间的边界或界面，这两种材料是P型和N型，是通过离子布植创建的。

半导体二极体具有非对称特性，在一个方向上对电流的流动具有很高的电阻，而在另一个方向上具有很低的电阻。半导体二极体的非线性电流-电压特性可以通过使用不同的材料并在这些材料中添加杂质（一种称为掺杂的过程）来进一步调整，从而实现它们执行不同的功能。

为什么半导体这么重要？

“半导体”一词来自“semi”（意为一半）和“conductor”。它指的是一种材料，拥有部分而非全部的电子导体特性。半导体介于优良的导体（如铜）和优良的绝缘体（如玻璃或塑料）之间，因此它会根据特定方向的电子刺激而有时导电，这使得它成为一种很好的材料，可以用作电子开关，实现导电或绝缘，在二进制计算和数字处理系统中提供所需的1和0。

半导体很重要，因为它们可以被制成比其他材料更好的导电体，这一事实在许多应用中使它们成为完美选择。

半导体的应用

半导体二极体最常见的是在一个方向（正向）允许电流通过，而在另一个方向（反向）阻断电流，它们通常用于电子电路中，例如在二极体桥中，用于整流信号以将交流电转换为直流电。

此外，半导体二极体还可用在正向偏压时只有在存在一定阈值电压的情况下才导电，一旦偏压，通过二极体的电压降只会在电流略微变化，受温度影响，这种特性意味着半导体二极体还可用作温度传感器。

半导体是如何运作的？

半导体是一种在晶体管和其他电子器件中能够导电的材料，但导电能力不如金属那么强的材料。它们由拥有正电荷和负电荷混合的原子组成（称为P型和N型半导体），当受到光线或热能照射时，它们会导电。

当电流通过半导体时，会使它们外层的电子在它们的原子之间自由流动，形成电场。当两种带相反电荷的半导体相遇时，它们的电子会互相流动，从而在两种材料之间形成电路。

半导体材料

严格来说，半导体不是一种元件，而是一种介于导体和绝缘体之间的材料，由于其化学组成，许多形式自然存在。硅（Si）是当今工业中使用最广泛的材料，但也可以使用其他材料，例如锗（Ge）或砷化物（GaAs）。包括硅在内的半导体具有与其原子结构相关的独特电性能。

当一种半导体由晶粒小块或结晶化化合物组成时，它被称为微晶或非晶半导体材料，上述材料都是非晶半导体的例子。

IC封装

离散半导体以保护半导体材料的封装形式提供。这些封装通常由塑料、陶瓷、玻璃或金属等材料制成，封装提供保护，并固定连接器脚、引线或接触点，连接半导体元件与外部电路。封装还有助于散热半导体器件产生的热量。

有各种各样的半导体封装形式可供选择，而最佳选择通常取决于尺寸、功率消耗、引线或接触点数等因素。

半导体类别

• 内在和外在半导体

半导体装置可以根据制造它们所使用的材料分为内在或外在两类。在内在半导体中，电子已经在材料内自由移动。然而，在外在半导体中，它们必须通过掺杂杂质或与其他材料合金化引入。

内在半导体完全由一种原子组成。最常见的是硅，但其他例子包括锗和砷化镓。后者常见于卫星通信系统中使用的红外线探测器。

外在半导体由两种或更多种不同类型的原子组成。它们包括化合物，如SiO2（二氧化硅），用作电子装置中其他材料之间的绝缘体。其他例子包括CdTe（碲化镉）和InP（磷化铟）。

• P型和N型半导体

内在半导体有两种类型 - P型和N型。这些类别指的是材料内可用于传导的电荷载体（电子或空穴）数量。P型半导体具有过量的负电荷载体（电子），而N型半导体则具有过量的正电荷载体（空穴）。

半导体元件类型

基于半导体技术的电子元件包括离散元件，例如金属氧化物半导体场效晶体管（MOSFET）或双极晶体管（晶体管）。它们还包括二极体，例如发光二极体（LED），集成电路（IC）的种类也在不断扩展。有各种不同类型的半导体二极体可供选择，包括PIN二极体、恒流二极体、电压稳定二极体（Zener）、肖特基二极体和各种整流器。

以下是一些最常见的半导体元件类型的详细说明。

PIN二极体

PIN二极体是一种半导体二极体，P型区和N型区之间有一一个宽而杂质浓度非常低的区域。与标准P-N二极体相比，这使得PIN二极体适用于高电压电子学中的快速开关或衰减器，例如在无线通信中的应用。

PIN二极体的关键属性包括：

• 二极体配置，包括单极、双极、共阳极或共阴极
• 目标应用，包括衰减器或开关
• 工作频率范围，例如超高频（UHF）或极高频（SHF）
• 正向导通电流（最大值）
• 正向和反向电压（最大值）

激光二极体

半导体激光二极体通过将电能转换为光能工作。在这个过程中，光子以一个可以被定向到一个物体或聚焦到一个表面加热它的光束发射出。激光二极体产生单一波长的光（窄谱），这种特性对于阅读条码或扫描文件等应用非常理想。

晶体振荡器使用激光二极体产生精确的频率，用于控制计算机和其他设备中的计时电路。激光二极体还可以与隧道二极体一起使用，通过增加光子击中时通过它们的电流量来增加灵敏度。

隧道二极体

隧道二极体是一种半导体器件，它允许电流只能在一个方向上通过，而在另一个方向上阻断电流。它们由两层P型掺杂的半导体组成，中间有一层绝缘层。这称为固有层，通常是纯二氧化硅，但也可以由其他化合物制成。

光电池

光电池，也被称作光敏电阻，是一种能根据光强度改变电阻的半导体器件（光电导性）。它们吸收光能并将其转换为电能。光电池可以用作太阳能电池板或太阳能收集器。

太阳能电池

太阳能电池是离散半导体将阳光转换为电能的一个例子。它们由半导体和其他组成部件组成，利用光电效应工作。

音频电路

半导体可以在音频电路中用作放大器。晶体管放大器是最常用于此目的的类型之一。半导体在音频电路中用作晶体管，因为它们可以将小电信号放大为较大的电信号，实现通过电子在电路板上的两点之间的流动来实现。

轧枪二极体

轧枪二极体的两个区域之间有一个可以自由移动的电子而没有任何电阻的小间隙。这意味着它们在低电压水平下具有非常高的增益，但在高电压水平下具有较低的增益。它们通常用于需要大增益的低电压水平的RF放大器和振荡器中。

IMPATT二极体

IMPATT（Impact Ionization Avalanche Transit Time）二极体是一种具有负电阻的高功率半导体二极体。它们通常用于高频频微波电子器件中的放大器和振荡器。

集成电路

集成电路是多个电子电路和功能元件（电阻、晶体管等）集成在一一块半导体材料上。与离散半导体元件不同，集成电路可以包括大型微处理器芯片中的数百万个晶体管。

离散半导体

离散半导体是由锗或硅等化合物制成的离散单晶体，它们具有使它们在许多不同应用中变得有用的特定特性。离散半导体器件包括：

整流二极体
光二极体（光电器件）
晶体管（放大器）