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。