半导体元器件的基本知识

半导体器件的原理和应用近年来，随着信息技术的飞速发展，半导体器件逐渐成为支撑现代社会的重要组成部分。

从智能手机到电子游戏机，从电脑到工业自动化，半导体器件的应用范围越来越广泛，其快速的发展也为人们的生活带来了极大的便利。

半导体器件的原理半导体器件是一种能够控制电流的电子元器件，它们的原理基于半导体物理学。

半导体物理学的核心是固体中电子和空穴的扩散，其基本原理和经典电动力学不同。

在半导体中，电子和空穴处于不同的能级上，而且互相之间也会发生相互作用。

这使得电子和空穴在半导体中无法像在金属中那样自由运动。

半导体器件通过控制这些电子和空穴的行为来控制电流的流动。

具体而言，半导体器件可以通过引入掺杂（即将另一种物质添加到半导体中）来改变半导体中电子和空穴的数量和能级分布，以及控制半导体的电阻和导电性。

此外，半导体器件中常常还包含了能够在电场或电压下工作的微小电容器和微型电感器等，并通过将它们与控制晶体管相结合，从而实现了电子设备中的各种功能。

半导体器件的应用半导体器件在通信、信息处理、能源、军事、航天、工业控制等领域发挥着深远的影响。

下面我们将分别介绍几种常见的半导体器件及其应用：1. 整流器整流器是一种将交流电（AC）变成直流电（DC）的装置，其原理是利用半导体器件的电流单向导电特性。

整流器广泛应用于电源、无线电、反向深度充电等领域。

2. 逆变器逆变器是一种将直流电转换成交流电的器件，广泛应用于交流电动驱动器、升压电源、电网与太阳能等电力系统。

3. 晶体管晶体管是半导体器件中最重要的器件之一，它是从真空管器件机械框架中发展出来的。

晶体管的应用范围非常广泛，包括各种计算机、音频设备、消费类电器和通信设备，以及电子储存器等领域。

此外，晶体管还被广泛地用于模拟电路和数字电路中。

4. 光电器件光电器件使用半导体材料的光电效应来将光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号。

光电器件包括光电二极管、光敏电阻、光电晶体管和光伏电池等，广泛应用于光通信、光电子计算、显示器和太阳能电池等领域。

第1章半导体的基本知识1.1半导体及PN结半导体器件是20世纪中期开始发展起来的，具有体积小、重量轻、使用寿命长、可靠性高、输入功率小和功率转换效率高等优点，因而在现代电子技术中得到广泛的应用。

半导体器件是构成电子电路的基础。

半导体器件和电阻、电容、电感等器件连接起来，可以组成各种电子电路。

顾名思义，半导体器件都是由半导体材料制成的，就必须对半导体材料的特点有一定的了解。

1.1.1半导体的基本特性在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。

通常将很容易导电、电阻率小于10*Q?cm的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料；将很难导电、电阻率大于1010Q cm的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10°Q?cm-1010Q cm范围内的物质，称为半导体。

常用的半导体材料是硅(Si)和锗(Ge)。

用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体不同于导体的特殊性质。

1热敏性所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。

半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。

例如纯净的锗从20C升高到30C时，它的电阻率几乎减小为原来的1/2。

而一般的金属导体的电阻率则变化较小，比如铜，当温度同样升高10C时，它的电阻率几乎不变。

2、光敏性半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。

一种硫化铜薄膜在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性制成的。

而金属导体在阳光下或在暗处其电阻率一般没有什么变化。

3、杂敏性所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。

在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一。

半导体行业专业知识-wafer知识半导体行业中的基本元器件是晶体管、二极管、场效应管、电阻、电容等，其中以晶体管为代表。

晶体管是一种能够控制电流的元器件，也是现代电子技术的基础之一。

晶体管是由p型半导体和n型半导体组成的，这些半导体在一个共同的单晶硅片中制成，这个单晶硅片就是wafer。

Wafer（圆片）是单晶硅片的俗称，是制造半导体器件的基础。

Wafer的种类有很多，如:直径125mm、150mm、200mm、300mm等。

在生产过程中，需要将晶体管等元器件在wafer上加工出来。

进一步，wafer上的晶体管等元器件需要经过电测试、工艺修正、包装等步骤，才能成为可实际使用的电子产品。

换句话说，wafer是半导体制造的基石。

制造wafer的方式通常是从多晶硅开始。

多晶硅是由小晶粒组成的晶体，其中尚含有杂质。

先将多晶硅置于炉中，并加热至一定温度使其融化然后凝结，并在此过程中控制加入杂质的数量与质量。

由于杂质会改变硅的电子特性，因此控制其数量与质量对于晶圆的电子性能有重大的意义。

在制造过程中，生产厂需对wafer表面进行多次加工，以便制造出所需的电子元器件。

在加工之前，需要对wafer进行光洁度处理，以使其表面的污垢和缺陷最小化。

接下来，需要在wafer上涂上光刻胶并通过光刻过程来形成具体的电路。

光刻胶是一种光敏感树脂，在涂刷后可以通过紫外光曝光获得所需的芯片图案。

完成光刻后，接下来就是wafer刻片阶段，将不需要的区域和多余的金属等程深度刻蚀掉，具体步骤包括干法刻蚀和液共刻蚀，以及对已经完成刻蚀的部分进行清洗和光敏胶的去除等。

除了这些基本操作以外，还需要针对性的加工wafer，定制各种不同的电子芯片，最终将它们与其他元器件组装在一起，形成具体的电子设备。

需要指出的是，在整个半导体产业链中，wafer是最基础的组成部分。

尽管其并不直接参与到电子设备的生产过程中，但是其质量对系统整体电子性能的影响非常大。

第1章半导体器件半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，是构成各种电子电路的核心，常用的半导体元器件有二极管、晶体管、场效应管等。

半导体元器件由半导体材料制成，因此，学习电子技术应首先了解半导体材料的特性，这将有助于对半导体元器件的学习、掌握和应用。

1.1 半导体器件的基础知识1.1.1 半导体材料导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体，这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、硼、砷、铟等，他们的电阻率在10-3～107欧.厘米。

半导体材料的广泛应用，并不是因为它们的导电能力介于导体与绝缘体之间，而是它们具有一些重要特性：1）当半导体受到外界光和热的激发（本征激发）时，其导电能力发生显著的变化；2）若在半导体中加入微量的杂质（不同的半导体）后，其导电能力显著的增加；半导体的这些特点取决于这类物质的化学特性。

绝对纯净的硅、锗、磷、砷、硼、铟叫做本征半导体。

1.1.2 本征半导体1)半导体的化合价物质的化学和物理性质都与物质的价电子数有密切的关系，半导体材料大都是三、四、五价元素。

硅、锗（四价）、磷、砷（五价）、硼、铟（三价）。

2)化学键物质化学键分离子键、共价键和金属键三种，半导体物质的化学键都属于共价键的晶体结构，同时它们的键长一般很长，故原子核对价电子的束缚力不象绝缘物质那样紧，当价电子获得一定的能量后，就容易挣脱原子核的束缚成为自由电子。

+4+4+4+4+4+4+4+4+4+41.化学特性①共有价电子挣脱原子核的束缚成为自由电子；可见半导体中的载流子有两种，即自由电子（●）和空穴(○)。

本征半导体的载流子是由本征激发而产生的，其自由电子与空穴是成对出现，即有一个自由电子，就一定有一个空穴，故称电子空穴对。

由于空穴带正电，容易吸引邻近的价电子来填补，从而形成了共有价电子的运动，这种运动无论从效果上，还是从现象上，都好象一个带正电的空穴在移动，它不同于自由电子的运动，故称之为空穴运动。

物理学中的半导体元器件原理半导体元器件是现代电子产业的重要组成部分，其中最具代表性的是晶体管、二极管和集成电路等。

这些元器件在现代电子技术中发挥着重要的作用，被广泛应用于计算机、通信、音视频等领域。

那么，它们的基本原理是什么呢？这篇文章将从物理学的角度探讨半导体元器件的原理。

第一部分：半导体基础知识半导体是指导电性介于导体和绝缘体之间的物质，具有一些特殊的电学性质。

半导体材料中，某些元素的原子晶格存在空位或缺陷，或者在其晶格中掺入一些杂质原子，从而形成半导体材料。

半导体的导电性与其电子能级结构有关。

在半导体材料中，电子可能会占据不同的能级，其中最低的能级称为价带，最高的能级称为导带。

通常情况下，价带中的电子处于芯层原子的电场束缚之下，而不自由运动；而导带中则没有束缚，电子可以自由运动。

当半导体材料受到一定的能量激发，如光子或热能，导带内的电子就可以跃迁至价带内，将其电导率提高。

这种情况下，半导体称为“n型半导体”。

如果掺杂进杂质原子使材料生成微键，并增加占据导带的电子，则称为“p型半导体”。

第二部分：二极管的原理二极管是一种简单的半导体元器件，由p型半导体和n型半导体组成，能够实现单向电流的导通。

二极管的特点是：在正向偏置下，p区域中和n区域中的电子就会发生大规模的扩散，进而形成一个漂移电流；而在反向偏置下，无法形成漂移电流，因此电流极小，由此实现了单向导通。

简单来说，二极管的工作原理是靠材料特性，即p和n型半导体接触时，会在界面处产生电势垒。

在正向偏置下，这些电子穿越电势垒，进入p区域中，并与p区的空穴复合产生光子和热能；在反向偏置下，由于电子无法穿越电势垒，因此电流极小，达到了单向导通的效果。

第三部分：晶体管的原理晶体管是一种具有放大和开关功能的半导体器件，由三个区域组成，即发射区、基区和集电区，分别对应p-n-p型或n-p-n型半导体管。

晶体管的原理是利用反向偏置形成的p-n陡斜电势垒来操纵涉及三区域电势平衡的电流传导。

半导体电子元器件基本知识四、光隔离器件光耦合器又称光电耦合器，是由发光源和受光器两部分组成。

发光源常用砷化镓红外发光二极管，发光源引出的管脚为输入端。

常用的受光器有光敏三极管、光敏晶闸管和光敏集成电路等。

受光器引出的管脚为输出端。

光耦合器利用电---光----电两次转换的原理，通过光进行输入与输出之间的耦合。

光耦合器输入与输出之间具有很高的绝缘电阻，可以达到10的10次方欧姆，输入与输出间能承受2000V以上的耐压，信号单向传输而无反馈影响。

具有抗干扰能力强、响应速度快、工作可靠等优点，因而用途广泛。

如在：高压开关、信号隔离转换、电平匹配等电路中。

光隔离常用如图：五、电容有电解电容、瓷片电容、涤纶电容、纸介电容等。

利用电容的两端的电压不能突变的特性可以达到滤波和平滑电压的目的以及电路之间信号的耦合。

电解电容是有极性的（有+、-之分）使用时注意极性和耐压。

电路原理图一般用C1、C2、C？等表示。

半导体二极管、三极管、场效应管是电路中最常用的半导体器件，PN结是构成各种半导体器件的重要基础。

导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体。

具有热敏、光敏、掺杂特性；根据掺入的杂质不同，可分为：N型半导体、P型半导体。

PN结是采用特定的制造工艺，使一块半导体的两边分别形成P型半导体和N型半导体，它们交界面就形成PN结。

PN结具有单向导电性，即在P端加正电压，N端接负时PN结电阻很低，PN结处于导通状态，加反向电压时，PN结呈高阻状态，为截止,漏电流很小。

一、二极管将PN结加上相应的电极引线和管壳就成为半导体二极管。

P结引出的电极称为阳极（正极），N结引出的电极称为阴极（负极），原理图中一般常用D1、D2、D？等表示。

二极管正向导通特性（死区电压）：硅管的死区电压大于0。

5V，诸管大于0。

1V。

用数字式万用表的二极管档可直接测量出正极和负极。

利用二极管的单向导电性可以组成整流电路。

将交流电压变为单向脉动电压。

什么是PN结及半导体基础知识在我们的日常生活中，经常看到或用到各种各样的物体，它们的性质是各不相同的。

有些物体，如钢、银、铝、铁等，具有良好的导电性能，我们称它们为导体。

相反，有些物体如玻璃、橡皮和塑料等不易导电，我们称它们为绝缘休(或非导体)。

还有一些物体，如锗、硅、砷化稼及大多数的金属氧化物和金属硫化物，它们既不象导体那样容易导屯，也不象绝缘体那样不易导电，而是介于导体和绝缘体之间，我们把它们叫做半导体。

绝大多数半导体都是晶体，它们内部的原子都按照一定的规律排列着。

因此，人们往往又把半导体材料称为晶体，这也就是晶体管名称的由来(意思是用晶体材料做的管子)。

物体的导电性能常用电阻率来表示。

所谓电阻率，就是某种物体单位长度及单位截面积的体积内的电阻值。

电阻率越小，越容易导电；反之，电阻率越大，越难导电。

导体、绝缘体的电阻率值随温度的影响而变化很小。

但温度变化时，半导体的电阻率变化却很激烈；每升高1℃，它的电阻率下降达百分之几到百分之几十。

不仅如此，当温度较高时，整体电阻甚至下降到很小，以致变成和导体一样。

在金属或绝缘体中，如果杂质含量不超过干分之一，它的电阻率变化是微不足道的。

但半导体中含有杂质时对它的影响却很大。

以锗为例，只要含杂质一千万分之一，电阻率就下降到原来的十六分之一。

锗是典型的半导体元素，是制造晶体管的一种常用材料（注：当前的半导体元器件生产以硅Silicon材料为主）。

现以锗为例来说明如何会在半导体内产生电流、整流性能和放大性能我们知道，世界上的任何物质都是由原了构成的。

原子中间都有一个原子核和者围绕原子核不停地旋转酌电子。

不同元素的原子所包含的电子数目是不同的。

蔗原子的原子核周围有32个电子，围绕着原子核运动。

原子核带有正电荷．电子带有负电荷；正电荷的数量刚好和全部电子的负电荷数量相等，所以在平时锗原子是中性的。

电子围绕原子核运动，和地球围绕太阳远行相似。

在核的引力作用下，电子分成几层按完全确定的轨道运行，而且各层所能容纳的电子数日也有一定规律。

半导体行业必备知识半导体是指一种导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。

半导体被广泛地应用于电脑、手机、电视等电子产品中，成为现代电子产业的基础。

因此，半导体行业的发展越来越受到关注。

以下是半导体行业必备知识：1. 常见半导体元件半导体行业中常见的元件有：二极管、三极管、晶体管、场效应晶体管、可控硅等。

其中，二极管是最基本、最重要的半导体元件之一，晶体管是半导体器件中应用最广泛的器件。

2. 硅片制造过程硅片是半导体工业的主要材料之一。

硅片制造过程需要经过切割、成形、清洗等一系列过程。

硅片制造过程的精密程度决定了芯片制造的精密程度。

牢记硅片制造过程中的每个细节是半导体行业中不可或缺的知识。

3. 电路设计半导体行业需要掌握电路设计，电路设计是把电子元器件按照一定方式连接起来，形成所需功能的过程。

电路设计需要在保证功能的基础上，注重电路的稳定性和可靠性。

电路设计是半导体行业的核心知识之一。

4. 物理原理要想深入理解半导体行业，必须掌握一些与物理息息相关的知识。

了解半导体内部的电子结构、波特图、PN结、电阻电容等物理概念，有助于更好地理解半导体的本质和应用。

5. 产业链结构半导体产业链包括芯片制造、封装测试、电子产品制造等多个环节。

芯片制造是半导体产业链的核心，封装测试环节是半导体产业链中其中一个重要环节。

掌握半导体行业的产业链结构，对了解半导体行业的组织结构和发展趋势具有重要意义。

在现代科技和经济的发展趋势下，半导体行业愈发繁荣。

学习半导体行业的必备知识对找到优秀的职业机会以及实现个人职业发展大有裨益。