半导体技术及其器件的发展应用
半导体技术及其器件的发展应用
120131326 刘玉光
摘要：半导体技术是指半导体加工的各种技术，包括晶圆的生长技术、薄膜沉
积、光刻、蚀刻、掺杂技术和工艺整合等技术，以半导体为材料，制作成组件及集成电路的技术。半导体材料已经有多年的发展历史，自从有机半导体材料开始受到重视以后，有机半导体器件的制作水平就有了很大程度的提高，并且已经开始投入到市场上，来实现它的价值。本文简要回顾了半导体技术多年的发展历史,介绍了有机半导体的发展情况，各种器件的技术现状；太阳电池、有机发光二极管等有机半导体器件的应用情况，阐述了有机半导体的优势，探讨了有机半导体技术的应用前景,并且介绍了晶体管、集成电路、功率半导体器件以及半导体材料等的研究发展过程和当前的水平,并展望21世纪半导体技术的发展方向及其在信息社会中将起的作用。
关键字：半导体技术；半导体器件；发展；应用；展望
一、历史的回顾
早在晶体管发明之前,人们就将半导体用于电子学中,第一个无线电检测器采用金属丝与矿石或硅相接触来工作的,但这种检测器性能很不稳定,而且取决于操纵者找到最佳整流触点的能力。三十年代初,其它半导体,诸如氧化亚铜和硒被用作整流器,在此期间,人们对半导体材料的体特性和表面特性在理论上有了进一步的认识,但是当时因缺少纯而稳定的半导体样品而无法通过实验来证实。从三十年代后期,特别在第二次世界大战期间,人们对微波频率做了大量的工作,因此对用于低噪音、小电容检波器的点接触二极管再次表现出极大兴趣。美国贝尔电话实验室的微波研究组将硅选为主要材料,此后对硅的性质作深入细致的研究,一直延续到六十年代。第二次世界大战期间,半导体技术的发展受到重视。因为在通信、探测敌方目标、导航和火力控制系统中需要先进的电子技术和器件。尤其在武器系统中,对元器件的尺寸、重量、可靠性提出更高的要求,为此美国国家标准局为研制坚固耐用的小型器件提供资助,以促其发展。
与此同时,美国贝尔实验室有一个固体物理研究组,这个研究组在研究半导体基础特性方面差不多花了两年半时间,直到1947年12月诞生了世界上第一只点接触晶体管。晶体管的诞生标志一个新时代的开始,引起全球科学界的极大兴趣,从而对材料制备和工艺技术方面进行深入细致的研究,发展速度日新月异,例如, 1947年的点接触晶体管, 1951年的结型晶体管, 1953年的表面势垒晶体管, 1955年的扩散基区晶体管, 1959年的平面晶体管。由平面晶体管步入集成电路,这一发展趋势是始料未及的。
在半导体技术发展过程中,必须提及材料科学所取得的成就。第一代半导体材料为元素半导体,如锗和硅。锗是最早实现提纯和完美晶体生长,并最早用来制造晶体管的半导体材料。但是,由于锗的禁带较窄,锗器件的稳定工作温度不如硅器件高,加之资源有限,其重要地位早在半导体工业发展初期就被硅所取代。到目前为止,二极管、晶体管和集成电路的制造,仍然是半导体工业的核心内容,而硅是制造这些器件的最主要材料。第二代为化合物半导体。化合物半导体大多是由元素周期表中间部分的某两种或两种以上元素化合而成的,其中砷化镓和磷化镓
是研究得最为深入、应用也最广泛的化合物半导体。与硅相比,砷化镓的禁带稍宽一点,有利于制作需要在较高温度下工作的器件,但其热导率较低,不适于制作电力电子器件。砷化镓的另一特长是其电子迁移率很高,为硅中电子迁移率的五倍。因此,砷化镓晶体管和集成电路有较高的工作频率。目前,砷化镓集成电路已开始应用于军事设施,激光器、探测器、高速器件、微波二极管和微波IC是砷化镓在当前最成熟的一些应用。第三代为宽禁带半导体材料,主要包括碳化硅( SiC)、金刚石和氮化镓( GaN)等。同第一、第二代材料相比,宽禁带半导体材料具有禁带宽度大( Eg> 2. 3eV )、电子漂移饱和速度高、介电常数小、热导性能好等特点,非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件; 而利用其特有的禁带宽度,还可以制作蓝、绿光和紫外光器件和光探测器件。目前,采用SiC来制作功率半导体器件,其性能优于硅功率器件,例如, SiC pin二极管的反向恢复时间可达100ns以下,仅为硅pin二极管的三分之一左右。一种耐压400V 的SiC肖特基整流器在电流密度为100A /cm2时压降仅为1. 1V ,远低于相应的pn结二极管,而且肖特基整流器具有极短的反向恢复时间,约为10ns,而Si pin二极管的反向恢复时间约为250ns。GaN 已成为第三代半导体材料的曙光,尤其是进入90年代以后, GaN 基器件的发展十分迅速。1991年,研制成功掺Mg 的GaN 同质结蓝光LEDs, 1993年将蓝光发光亮度提高到1cd, 1995年达到2cd,并于同年实现绿光LEDs的商品化,其亮度达到6cd。1998年APA光学公司推出世界上第一个商品化的GaN基UV 探测器系列,同传统的Si探测器相比, GaN 探测
器在可见光范围内的工作要有效得多,而且可以在300℃的高温环境中工作。[]1二、半导体技术发展趋势
中国半导体行业协会顾问许居衍院士预测21世纪徽电子技术的具体发展趋势主要有以下三个方面:
·不断增长高密度嵌人设计水平；
·不断扩展跨学科横向应用；
·最终进人技术平台期, 等待新的突破。[]2
（1）我国半导体技术的发展
我国半导体技术发展的总体水平还处于幼年期，产业链不配套、不完善，如制造与设计、封装测试产业发展水平不平衡，规模相互不平衡等矛盾突出；技术水准低，如制造业70 ％以上的公司还停留在0.35微米及以上的制程工艺，设计业规模小、产值小，封装测试还是低水平；研发能力差，缺乏自主知识产权；政策配套，市场化管理等方面也暴露出不少问题。
据当年参加半导体硅片科研攻关的有研硅股公司秦福教授介绍，到目前为止，我国还不能大批量生产8 英寸硅片，6 英寸硅片的生产尚未普及，而小直径硅片在质量，特别是产品的稳定性方面与国外还有较大的差距。我国硅片的总体水平大约相于国外上世纪90年代初的水平，产量约占全球总产量的1% 。这与我国信息产业在世界市场上所占的比例很不相称。以龙芯1 号，神威1 号，方舟1、2 号为代表的具有自主知识产权的C P U ——“中国芯”的研制成功打破国外的垄断，有了一个良好开端，有人认为“产业化的难度，远比研制国产C P U 的过程难！”复旦微电子公司市场部负责人并不掩饰“神威一号”出生后的苦恼。与“神威一号”一样，北京的“龙芯一号”也正在寻找产业化突破。
半导体产业包括三大产业群：I C 设计公司（Fabless）、加工厂（Foundry）和封装测试厂。其中IC 设计以人为主，是脑力密集型的产业；加工厂是资金、技术密集、高进入障碍的产业；下游的封装测试厂相比之下是中等投资密集和风险的产业。而我国的半导体产业大都集中在中、下游的芯片制造阶段。
国内在集成电路生产方面差距不仅在工艺技术水平上，还在于难于获得规模经济带来的成本优势，以及缺乏大生产所需的管理能力和经验。对于国际流行的晶圆代工（Foundry）这种商业模式，国内集成电路制造业所拥有的运作经验就更少了。我国在“十五”期间仍将大规模硅生产线的建设列为半导体业发展的重要内容，具体目标如下：建设3～4 条6 英寸生产线，扩大市场试销对路产品的生产能力；建设4～5 条8 英寸芯片生产线，形成0.35～0.18 微米技术产品的生产加工能力；建设1～2 条12 英寸芯片生产线，形成0.18～0.13微米技术产
品的生产能力。[]3
（2）国际半导体的发展
IBM半导体研发中心技术开发副总裁Percy Gilbert 2月8日在“世界半导体东京峰会2012”发表了演讲，他说，半导体技术的进步为社会带来了互联网的普及等变革，今后还要继续推进该技术的发展。不过，除了传统技术之外，器件、制造及材料的技术革新变得不可或缺。同时，业务模式也要革新，IBM作为研发型半导体公司称“合作”尤其重要，IBM的“共生系统”战略不仅要联手半导体厂商，还要与设备厂商、装置及材料厂商合作，由此来分担研发投资。
台积电代表也在会上表示，逻辑电路尖端工艺的发展将继续受到市场欢迎。公司现行28nm工艺，计划2012年下半年将使20nm工艺量产化，2014年则将推进到14nm工艺量产化。同时，对“更摩尔”(More Moore)微细化以外追求差异化的“超摩尔”(More thanMoore)的量产器件，也将推进微细化以降低成本。SIA(美国半导体工业协会)于去年底在韩国首次公布了《2011ITRS》(2011年国际半导体技术发展路线图)，对半导体设计和制造技术到2026年的发展作了预测。SIA总裁Brian Toohey说，路线图的宗旨之一是遵循摩尔定律的发展速度，不断缩小工艺尺寸、提高性能以满足消费者的需求。ITRS特别指出，DRAM将加速发展以因应高端服务器、台式游戏机复杂图形的进步。广泛用于数码相机、平板电脑和手机的Flash闪存近几年内也将快速发展，2016年将出现3D架构产品。此外，也详细介绍了连接器、开关、有关器件、材料以及射频和模拟混合信号技
术的未来革新。[]4
三、半导体技术发展的特点
（1）高投入、高技术、技术更新周期短
如硅材料工业，是一个资金、技术密集、支撑能力强而自身效益不甚高的产业。对此上海晶华的技术顾问李积和教授指出它目前呈现出，硅片生产厂商所承受的价格压力大，硅片工业在生产与市场方面已经形成垄断以及IC用主流硅片制造正从8英寸向12 英寸过渡等几大特点。半导体技术的发展速度快，按照摩尔定律的规律，技术更新迅速，“一代产品，一代设备，一代工艺，一代材料”节奏加快，往往形成一代技术刚开始普及就有新一代产品诞生，新一代技术更新
旧技术被淘汰，特别是旧设备的巨额投资还未收回，就变成一堆废铁。[]5
（ 2 ）综合性强
半导体技术涉及到基础学科到技术层次的广泛领域，不仅前道微细加工技术是核心技术，就是其周边的支撑技术包括超净，超纯，超微细，超精度等内容亦涉及到广泛的技术领域，而且就技术层面上也是互相交错、互相倚赖的。随着现代微电子技术的飞速发展，各种光电子器件的微型化，对材料的纳米化要求愈加强烈，纳米材料学必将成为最活跃的学科之一。前端制造进入12吋晶圆0.13微米以下制程，强调高传输速率、低功率、高脚数时，传统封装与测试技术，都必须分别往不同的领域突破，需要不同的技术，因为晶体管数目越多，I ／ O 的脚数越多，传输速度越快，封装走向覆晶（Flip Chip；F C ）、系统封装（S I P ），测试则是朝向系统芯片（S o C ）测试、晶圆级测试。由于芯片传输速率越快，测试设备的等级就要越高，单位时间所花的测试成本就越高，使得测试成本居高不下，在封装与测试分别在降低成本上接受不同的考验，过去不被重视的后段封装与测试，目前反而成为半导体制程技术发展的瓶颈。测试不再是半导体产业链最末端，半导体产业结构必须将测试部分移至与IC 设计端同步，IC 在设计阶段就必须把测试问题考虑在内，由此，就产生了可测试化设计（Design For Test，DFT）／内建自我测试（Build in Self-test，BIST）来辅助测试作业。DFT ／ BIST 的功能就是在IC 设计端将测试问题考虑进去，才能解决IC 制作完成后的测试验证，显示测试在SoC 的时代，不是传统制造为导向单纯简单的测试而已，测试含有丰富的知识技术为基础。
（ 3 ）高集成、重复使用
大规模硅晶圆生产线的数量和质量，是当今衡量一个国家或地区半导体业发展水平高低的重要指标。尽管目前业内普遍认为，fabless（无生产线）公司的兴起业已成为推动半导体业发展的强劲动力，但我们仍然不能否认大规模生产线的建设对一个国家或地区半导体业整体素质的提升有不可替代的作用。
许居衍院士认为，高密度嵌入设计是IC设计的追求，“在尽可能小的空间、集成尽可能大规模功能”的理想是微电子技术无止境的追逐目标，由此带动了设计、测试、封装的进步，并在工艺协同下，促进了设备、材料、甚至工厂模式的变迁。他说，从晶体管到IC 的转变是个观念上的突破，把电子系统集成到一个芯片上，把IC 的单纯硬件设计提升到电子系统的软件与硬件合理分配的决策上来的IS，是观念上又一个突破。IS 不仅是微电子技术的下一个发展热点，而且
还推动着上述一系列相关技术的发展，又是微电子技术的下一个发展重点。[]6四、半导体器件的发展
随着信息社会的不断发展, 单一功能的材料与器件越来越难以满足应用领域的各种需求, 因此一批具有半导体特性的有机功能材料如塑料和高分子聚合物等陆续被开发出来, 并且正在尝试应用于由Si 和GaAs 等传统半导体材料所占领的领域。有机半导体材料具有原料易得、廉价、重量轻、制备工艺简单、环境稳定性好以及可制作成大面积柔性器件等优点。而且这类器件即使报废了也可以回收再利用, 非常符合当前大力倡导的节能环保理念。长久以来人们普遍认为有机物是不导电的, 因此被广泛用作绝缘材料, 直到20 世纪70 年代, 美国物理学家A1 J1Heeger、化学家M1MacDiarmid和日本化学家H1 Shirakaw a 共同发现对聚乙炔分子进行掺杂可以使其变成良导体, 从而拉开了有机半导体技术研究的序幕, 这三位科学家凭借该项重大发现成为2000 年诺贝尔化学奖得
主。
自上世纪80 年代以来, 有机半导体研究领域云集了众多世界知名公司、大学与研究机构, 如美国的IBM、柯达、通用显示公司、固态显示实验室、普林斯顿大学、英国剑桥大学、日本索尼公司、NEC 公司、丰田公司、韩国三星和LG 以及印度科学院等 , 不断开发出能改善有机半导体特性和稳定性的新材料和制造技术, 而新材料和新技术的应用又极大地促进了有机场效应晶体管( OFET) 、有机发光二极管( OLED) 和有机光伏电池( OPC) 以及有机传感器等有机电子器件和有机光电子器件性能的提高。当前有机半导体器件的应用正在不断扩大, 市场份额也在逐年增长。
在学术界与工业界的共同努力下, 有机半导体材料与技术研究不断取得新的进展, 这一领域已成为一个汇集了物理、化学与材料科学等学科的多学科交叉研究领域, 工艺技术不断取得新的突破, 预示着有机半导体革命的到来。一些业内专家认为, 用有机半导体材料开发出各种新型导电聚合物器件的研究正在改变着高技术未来的发展方向。当前, 采用有机半导体已可制作各种类型的有源器件和无源器件, 如晶体管、二极管、OLED、传感器、存储器、显示器、电池、
电阻、电容、电感和天线等。[]7下面简要介绍几种典型有机半导体器件的研究
与应用现状。
（1）有机太阳池
传统的太阳电池是化合物薄膜太阳电池，而新型的太阳电池要采用新型的技术，有机太阳电池将作为一种新型产物摆在大家的面前，有机太阳电池的生产流程很简单，而且可以通过讲解来减少对环境的污染，由于这些优点符合当代社会的需要，所以有机太阳电池越来越受到大家的关注。如此廉价的太阳电池会让世界的能源发生巨大的改变。有机太阳电池比传统的电池更薄，重量更轻，受光面积在不断增加，所以可以大大提高光电的使用效率，在电脑等小型设备当中可以当作电源来用。可以使用有机太阳电池作为OLED 屏幕的电源，可以大大减少重量。虽然太阳电池很薄、很轻，也很有柔性，但是它的效率不高，而且寿命也比较短，通过研究，改变太阳电池的缺点，使得效率达到10%，寿命也可以超过5 年。（2）有机半导体晶体管
有机半导体材料的晶体管是有机电子器件当中很重要的一种器件，比如OFET。当前OFET 的技术主要有聚合物、小分子蒸发或者是小分子溶液铸模等等。OFET 的优点是成本低、柔性大等等，有很好的发展前景。OFET 的发展很迅速，无论是材料还是制备工艺方面都有了突破，它可以使OLED 发光，形成逻辑电路，发光场效应晶体管以及单晶场效应晶体管等等器件都已经开发出来。世界各个国家都在研究有机半导体晶体管，2009 年，日本的专家使用液相外延工艺生产了并五苯单晶，几乎是没有任何缺陷的，之后使用这种单晶制成了OFET，场效应的迁移率可以得到0.6cm2/（V.s）。2010 年法国研究人员研究出一种能够模仿神经元突触功能的有机存储场效应晶体管，有机半导体晶体管会有希望成为新一代集成电子器件。
（3）OLED 技术
与LCD 技术比较，OLED 不仅可以做到折叠和随身携带，还具有更好的可适度、更好的图像质量以及更薄的显示器。现在OLED 已经开始应用到手机、以及数码相机等小型设备当中。当前在OLED 显示器开发的市场当中占有很大优势的企业有三星、LG以及柯达等等。2010 年初，三星展出了OLED 笔记本电脑，还
推出了带有OLED 平面的MP3 播放器。预计未来五年智能手机会促使OLED 显示器呈现出快速发展的势头。随着OLED 技术的快速发展，未来很可能会应用到显示器、照明当中。由于OLED 的刷新速率很高，这使得视频图像更加逼真，还可以随时进行图像的更新。未来的报纸也有可能成为OLED 显示器，能够更新新闻，还能够卷起来。有机半导体技术已经在很多领域都占有自己的重要位置，很多企业已经开始开发半导体技术的产品。使用OLED技术的玻璃窗在电源关闭的时候和普通的玻璃没区别，但是在接通电源之后就会变成显示器。使用OLED 技术的汽车挡风玻璃也不仅仅是挡风，还能够提供其它的帮助。有机半导体材料作为一种新型材料，经过不断开发和研究，已经进入商品化的阶段，并且会有很好的发展。有机半导体器件成本低，操作流程简单，而且功耗小，这是很多无机半导体器件没有的特点，所以有机半导体器件有很大的发展。但是有机半导体器件在寿命已经性能方面还需要改进。哟及半导体器件的速度比较慢，这使得它取代传统的半导体的可能性不大，所以在这方面需要解决，但是有机半导体更加经济，成
本更低，值得推广。[]8
（4）射频识别标签、有机传感器及集成智能系统
除有机太阳电池、OLED 显示和照明应用外,射频识别( RFID) 标签、大面积传感器及集成智能系统的研究也有较大进展。
RFID 被称为本世纪的十大技术之一, RFID商品标签也被认为是今后全球商品交易及物流中采用最广的技术之一。如果每个标签的价格以5 美分计算, RFID 标签的潜在市场规模可能达到每年数十亿至数百亿美元。但现有RFID 标签的高成本一直制约着这项技术的普及和发展, 低成本有机RFID 标签技术的研究和发展有望解决这一问题。据估计, 有机RFID 标签的成本有望降至01 01~01 02 美元, 甚至更低。作为一个低成本的选择方案, 有机RFID 将在世界范围内开辟一个新市场,与Si 片RFID 技术相互补充来满足市场的需求。世界各国都认为有机RFID 市场潜力巨大, 至于技术的发展, 目前全球都还处于探索阶段, 但对其发展前景普遍看好, 多个国家和地区科的科研机构都纷纷加大研发力度,
如Or ganicID, IBM, Poly IC和IMEC 等。[]9
近年来, 微芯片上的传感系统也引起了较为广泛的关注, 催生了/ 芯片实验室0 这一新的概念。具有/ 芯片实验室0 这一特征的器件是一些集成度较高的小型传感器系统, 这类系统的主要应用领域包括医疗和环境监测等领域。通常这些领域使用的监测分析系统都十分复杂, 且价格很高。采用/ 芯片实验室0 平台可以将分析用的所有元器件制作在一个完整的集成系统中来简化系统、降低成本。这些微系统可采用的衬底材料范围很广, 包括聚二甲基硅氧烷( PDMS ) 、聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA) 及其他塑料等。许多不同类型的有机传感器系统已经问世, 如集成化学、温度和压力传感器、电子鼻、电子舌、光扫描仪以及盲人专用的电子布莱叶传感器等。集成智能系统( ISS) 可以将多种完全不同的功能集成在一块芯片上, 从而开辟了许多全新的价值领域。ISS 的应用领域包括诊断系统、大面积传感器、智能光源与光系统和智能包装等。欧洲、日本和美国在这一领域的科研水平比较领先,但以中国为代表的一些亚洲国家也具有一定的优势。（5）宽禁带半导体
宽禁带半导体设备技术是宽禁带半导体器件发展的技术支撑和重要基础。对SiC、GaN、AlN 等宽禁带晶体材料而言，要求研制的晶体生长炉满足宽禁带晶体
材料大尺寸、低缺陷、低成本的技术发展趋势。同时，宽禁带材料制备新工艺的发展也带动了晶体生长设备的技术创新，如用于氮化物宽禁带材料制备的HVPE 设备、氨热法合成设备、钠盐LPE 设备等。对宽禁带器件制造而言，要求研制的外延设备、MOCVD 设备满足衬底材料大尺寸，外延层低缺陷、高均匀性、高一致性，低成本的技术发展趋势。同时，宽禁带器件制造还要求离子注入特殊工艺，满足碳化硅等材料的选择性掺杂、欧姆接触等，最终实现宽禁带器件的高性能、低成本。
目前，宽禁带半导体技术理论体系日臻完善，宽禁带半导体材料日趋成熟，宽禁带半导体器件也已取得突破，为宽禁带半导体设备技术的发展带来了巨大机遇。随着技术的进步。宽禁带半导体器件在军工电子、电力电子、半导体照明等应用领域将迅速扩大，具有巨大的市场发展潜力。我们必须科学分析、冷静面对宽禁带半导体技术带来的历史机遇，制订科学的发展规划，加大宽禁带半导体设
备技术的投入力度，抓住宽禁带半导体发展的新机遇。[]10
五、结束语
半导体技术已经历了巨大的发展, 成为发展最快的技术。它对人类社会的发展产生了深刻影响。新行优惠政策的同时, 还将完善我国现行科技法律、法规与奖励办法, 努力提高我国高新技术专家、发明家和实践革新家的地位和声望。通过国家政策和投入, 体现国家意志, 在总体上实现市场和计划对中国一流半导体企业技术中心的全力支持, 使其尽快成长为世界一流的实验室和生产中心。在此, 笔者预言: 在不远的将来, 中国一定会拥有世界一流的企业、世界一流的大学与世界一流的实验室、世界一流的科研人才! 我们一定会不断创新, 不会错过
这一难得也可能是唯一的机遇。[]11
半导体制造技术是一个国家科研、生产能力的集中代表，是未来社会与建设自动化和智能化的基础型技术。应该对半导体制造技术的发展予以高度重视，要立足于半导体制造技术的发展历程，把握当前半导体制造技术的核心和关键，在重点技术环节取得关键性突破，这样，才能将半导体制造技术更好地推向新的水
平，进而适应科学、制造、生产的趋势需要。[]12
社会在发展，科技在进步。半导体技术及其器件在不久的将来定会得到长足的发展，也必将给人类发展带来更大的发展活力。抓住机遇，努力学习，抓住未来，引领未来！
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功率半导体器件在我国的发展现状
功率半导体器件在我国的发展现状 MOSFET是由P极、N极、G栅极、S源极和D漏级组成。它的导通跟阻断都由电压控制，电流可以双向流过，其优点是开关速度很高，通常在几十纳秒到几百纳秒，开关损耗小，适用于各类开关电源。但它也有缺点，那就是在高压环境下压降很高，随着电压的上升，电阻变大，传导损耗很高。 随着电子电力领域的发展，IGBT出现了。它是由BJT和MOS组成的复合式半导体，兼具二者的优点，都是通过电压驱动进行导通的。IGBT克服了MOS的缺点，拥有高输入阻抗和低导通压降的特点。因此，其广泛应用于开关电源、电车、交流电机等领域。 如今，各个行业的发展几乎电子化，对功率半导体器件的需求越来越大，不过现在功率半导体器件主要由欧美国家和地区提供。我国又是全球需求量最大的国家，自给率仅有10%，严重依赖进口。功率半导体器件的生产制造要求特别严格，需要具备完整的晶圆厂、芯片制造厂、封装厂等产业链环节。国内企业的技术跟资金条件暂时还无法满足。 从市场格局来看，全球功率半导体市场中，海外龙头企业占据主导地位。我国功率半导体器件的生产制造还需要付出很大的努力。制造功率半导体器件有着严格的要求，每一道工序都需要精心控制。最后的成品仍需要经过专业仪器的测试才能上市。这也是为半导体器件生产厂家降低生产成本，提高经济效益的体现。没有经过测试的半导体器件一旦哪方面不及格，则需要重新返工制造，将会增加了企业的生产成本。
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半导体电子元器件的有哪些以及命名方式
半导体电子元器件的有哪些以及命名方式 半导体器件(semiconductor device)通常，这些半导体材料是硅、锗或砷化镓，可用作整流器、振荡器、发光器、放大器、测光器等器材。为了与集成电路相区别，有时也称为分立器件。绝大部分二端器件(即晶体二极管)的基本结构是一个PN 结。利用不同的半导体材料、采用不同的工艺和几何结构，已研制出种类繁多、功能用途各异的多种晶体二极，可用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。晶体二极管的频率覆盖范围可从低频、高频、微波、毫米波、红外直至光波。三端器件一般是有源器件，典型代表是各种晶体管(又称晶体三极管)。晶体管又可以分为双极型晶体管和场效应晶体管两类。根据用途的不同，晶体管可分为功率晶体管微波晶体管和低噪声晶体管。除了作为放大、振荡、开关用的一般晶体管外，还有一些特殊用途的晶体管，如光晶体管、磁敏晶体管，场效应传感器等。这些器件既能把一些环境因素的信息转换为电信号，又有一般晶体管的放大作用得到较大的输出信号。此外，还有一些特殊器件，如单结晶体管可用于产生锯齿波，可控硅可用于各种大电流的控制电路，电荷耦合器件可用作摄橡器件或信息存储器件等。在通信和雷达等军事装备中，主要靠高灵敏度、低噪声的半导体接收器件接收微弱信号。随着微波通信技术的迅速发展，微波半导件低噪声器件发展很快，工作频率不断提高，而噪声系数不断下降。微波半导体器件由于性能优异、体积小、重量轻和功耗低等特性，在防空反导、电子战、C(U3)I等系统中已得到广泛的应用。 1、物质的分类 按照导电能力的大小可以分为导体、半导体和绝缘体。导电能力用电阻率衡量。 导体：具有良好导电性能的物质，如铜、铁、铝电阻率一般小于10-4Ω?cm 绝缘体：导电能力很差或不导电的物质，如玻璃、陶瓷、塑料。 电阻率在108Ω?cm以上 半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如锗、硅。 纯净的半导体硅的电阻率约为241000Ω?cm 2、半导体的特性 与导体、绝缘体相比，半导体具有三个显著特点： (1)电阻率的大小受杂质含量多少的影响极大，如硅中只要掺入百万分之一的杂质硼，硅的电阻率就会从241000Ω?cm下降到0.4Ω?cm，变化了50多万倍; (2)电阻率受环境温度的影响很大。 例如：温度每升高8℃时，纯净硅的电阻率就会降低一半左右;金属每升高10℃时，电阻率只增加4%左右。
常用半导体器件复习题
第1章常用半导体器件 一、判断题（正确打“√”，错误打“×”，每题1分） 1．在N型半导体中，如果掺入足够量的三价元素，可将其改型成为P型半导体。（）2．在N型半导体中，由于多数载流子是自由电子，所以N型半导体带负电。（）3．本征半导体就是纯净的晶体结构的半导体。（） 4．PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（） 5．使晶体管工作在放大状态的外部条件是发射结正偏，且集电结也是正偏。（）6．晶体三极管的β值，在任何电路中都是越大越好。( ) 7．模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。( ) 8．稳压二极管正常工作时,应为正向导体状态。( ) 9．发光二极管不论外加正向电压或反向电压均可发光。( ) 10．光电二极管外加合适的正向电压时，可以正常发光。( ) 一、判断题答案：（每题1分） 1．√； 2．×； 3．√； 4．√； 5．×； 6．×； 7．√； 8．×； 9．×； 10．×。
二、填空题（每题1分） 1．N型半导体中的多数载流子是电子，P型半导体中的多数载流子是。2．由于浓度不同而产生的电荷运动称为。 3．晶体二极管的核心部件是一个，它具有单向导电性。 4．二极管的单向导电性表现为：外加正向电压时，外加反向电压时截止。5．三极管具有放大作用的外部条件是发射结正向偏置，集电结偏置。6．场效应管与晶体三极管各电极的对应关系是：场效应管的栅极G对应晶体三极管的基极b，源极S对应晶体三极管，漏极D对应晶体三极管的集电极c。7．PN结加正向电压时，空间电荷区将。 8．稳压二极管正常工作时，在稳压管两端加上一定的电压，并且在其电路中串联一支限流电阻，在一定电流围表现出稳压特性，且能保证其正常可靠地工作。 9．晶体三极管三个电极的电流I E 、I B 、I C 的关系为：。 10．发光二极管的发光颜色决定于所用的，目前有红、绿、蓝、黄、橙等颜色。 二、填空题答案：（每题1分） 1．空穴 2．扩散运动 3．PN结 4．导通 5．反向 6．发射机e 7．变薄 8．反向 9．I E ＝I B ＋I C 10．材料 三、单项选择题（将正确的答案题号及容一起填入横线上，每题1分）
电子技术基础1.4(半导体器件)
场效应管是利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，它的输出电流决定于输入电压的大小，基本上不需要信号源提供电流，所以输入电阻高，且温度稳定性好。 绝缘栅型场效应管 MOS管增强型NMOS管耗尽型NMOS管增强型PMOS管耗尽型PMOS管 1.4 绝缘栅场效应管(IGFET)
1. G 栅极D 漏极 S 源极B 衬极 SiO 2 P 型硅衬底耗尽层 N + N + 栅极和其它电极之间是绝缘的，故称绝缘栅场效应管。 MOS Metal oxide semiconductor 1.4.1 N 沟道增强型绝缘栅场效应管(NMOS)电路符号 D G S
G D S B P N + N + 2. 工作原理 (1) U GS 对导电沟道的控制作用(U DS =0V) 当U GS ≥U GS(th)时，出现N 型导电沟道。 耗尽层 开启电压：U GS(th) U GS N 型沟道 U GS 值越大沟道电阻越小。
G D S B P N + N + (2) U DS 对导电沟道的影响(U GS >U GS(th)) U GS U DD R D U DS 值小，U GD >U GS(th)，沟道倾斜不明显，沟道电阻近似不变，I D 随U DS 线性增加。 I D U GD =U GS -U DS 当U DS 值增加使得U GD =U GS(th)，沟道出现预夹断。U DS =U GS -U GS(th) 随着U DS 增加，U GD
1 234 U GS V 2 4 6I D /mA 3. 特性曲线 输出特性曲线:I D =f (U DS ) U GS =常数 转移特性曲线:I D =f (U GS ) U DS =常数 U GS =5V 6V 4V 3V 2V U DS =10V 恒流区 U GS(th) U DS /V 5 10 151 234 I D /mA 可变电阻区 截止区 U GD =U GS(th) 2 GS D DO GS(th)1U I I U ?? =- ? ??? I DO 是U GS =2U GS(th)时的I D 值 I DO U GD >U GS(th) U GD 半导体材料的发展现状与趋势
半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代，并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。 一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势 1.硅单晶材料 硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路，其中有90％到95％都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展，还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的，它用石墨作为加热器。所以，来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染，使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染，随着硅单晶直径的增大，长度的加长，它的分布也变得不均匀；这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀，会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧，在器件和电路的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，它有着很好的应用前景。当然还有以硅材料为基础的SOI材料，也就是半导体/氧化物/绝缘体之意，这种材料在空间得到了广泛的应用。总之，从提高集成电路的成品率，降低成本来看的话，增大硅单晶的直径，仍然是一个大趋势；因为，只有材料的直径增大，电路的成本才会下降。我们知道硅技术有个摩尔定律，每隔18个月它的集成度就翻一番，它的价格就掉一半，价格下降是同硅的直径的增大密切相关的。在一个大圆片上跟一个小圆片上，工艺加工条件相同，但出的芯片数量则不同；所以说，增大硅的直径，仍然是硅单晶材料发展的一个大趋势。那我们从提高硅的
电子元器件基础知识
芯片、半导体和集成电路IC三者有何差异！ 作为半导体材料人、电子元件销售或采购，你真得知晓什么叫芯片、半导体和集成电路IC 吗？知晓它们相互之间的关联与区分吗？来来来，抓紧了解下！ 一、什么叫芯片 芯片，别称微电路（microcircuit）、微芯片（microchip）、集成电路（integrated circuit，lC），就是指含有芯片的硅片，体积不大，经常是电子计算机或其它电子产品的一小部分。 芯片（chip）就是说半导体元器件商品的合称，是芯片（lC，integrated circuit）的载体，由晶圆切分而成。 硅片是一块儿很小的硅，含有芯片，它是电子计算机或是其它电子产品的部分。 二、什么是半导体 半导体（semiconductor），指常温导电性能介乎于导体（conductor）与绝缘体（insulator）两者之间的材料。如肖特基二极管就算选用半导体制做的元器件。半导体材料指得某种导电性可受操控，范畴可从绝缘体至导体之间的材料。 不管从高新科技或者社会经济发展的视角来说，半导体的必要性都是十分巨大的。今天绝大多数的电子设备，如电子计算机、移动电话或者数字录音机之中的核心单元都和半导体材料具有极其紧密的关连。普遍的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各类半导体材料中，在商业运用上最具备知名度的一种。 物质具有的形式各种各样，液体、气体、固体、等离子体等。我们一般把导电性差的材料，如煤、人工晶体、琥珀、瓷器等称之为绝缘体。而把导电性比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称之为导体。还可以简易的把接近导体和绝缘体之间的材料称作半导体。 三、什么叫集成电路IC 集成电路IC（integrated circuit）是一种小型电子元件或零部件。运用一定的加工工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻器、电容器和电感器等元器件及布线互连在一起，制做在一块或几小块半导体晶片或媒质基片上，随后封裝在1个管壳内，变成具备所须电路作用的小型结构；其中全部元器件在结构上已构成1个整体，使电子原件朝着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性层面迈入了一大步。它在电路中用英文字母“IC”表达。 集成电路IC发明人为杰克·基尔比（基于锗（Ge）的集成电路IC）和罗伯特·诺伊思（基于硅（Si）的集成电路IC）。当下半导体工业生产绝大部分运用的是基于硅的集成电路IC。集成电路IC是二十世纪五十年代中后期一六十年代发展起來的一种新型电子器件。它是經過氧化作用、光刻、外扩散、外延、蒸铝等半导体制造加工工艺，把组成具备一定作用的电路需要的半导体、电阻器、电容器等电子元件及他们相互之间的联接导线全都集成在一块硅片上，随后焊接封裝在1个管壳内的电子元件。其封裝机壳有圆壳式、平扁式或双列直插式等多样化。 集成电路技术涉及集成ic生产技术与设计技术，主要突显在生产设备，制作工艺，封裝检测，大批量生产及设计创新性的能力上。 四、芯片和集成电路IC有何差异？ 要表述的着重点不一样。 芯片就是芯片，通常就是指你人眼可以见到的长满了许多小脚的或是脚看不见，但是很显著的方形的那块物品。但是，芯片也包含各式各样的芯片，例如基带的、工作电压变换的这些。处理器更注重作用，指的就是说那块执行解决的单元，还可以说成MCU、CPU等。 集成电路IC范围要广多了，把某些电阻电容二级管集成到一块儿就算是集成电路IC了，可
行业梳理：电子元器件子行业——半导体行业
一、半导体产业是电子元器件行业重要分支 电子元器件是具有独立电路功能、构成电路的基本单元。按照产品功能的不同，电子元器件可以分为被动元器件、集成电路（IC）、分立器件、印刷电路板（PCB）、显示器件（TFT-LCD、PDP）、其他元器件等子行业。 集成电路（IC）是半导体技术的核心，是国际竞争的焦点和衡量一个国家或地区现代化程度以及综合国力的重要标志。集成电路产业处于整个电子产业链的核心位臵，参与多个价值链的形成。 集成电路（IC）产业链包括设备业、材料业、设计业和加工业，IC 加工业按流程可分为光掩膜业、制造业、封装业和测试业。
二、全球半导体产业分析 2.1 全球半导体产业发展规律 每4－5 年经历一次周期 大致来看，半导体产业每4 到5 年会经历一次周期（硅周期）。从1980 年到2004年，全球半导体产业经历了5 次周期，分别是1980－1984、1984－1988、1988－1995、1995－2000 以及2000－2004，目前正处于1980 年以后的第六次周期。 市场的供需变化是导致半导体产业周期性波动的根本原因。在市场需求疲软时，半导体厂商会减少资本支出，削减产能，半导体产业步入下行周期；而在市场需求强劲时，半导体厂商就会增加资本支出，增加产能，半导体产业进入上升周期。 集成电路主要包括四大类产品，即微处理器、存储器、逻辑电路和模拟电路。自2004年以来，各类产品逐渐发展成四个子周期，即Logic（逻辑电路）、MPU（微处理器）、analog （模拟电路）与DRAM/FLASH（动态随机存储器/闪存）。
与GDP 的相关性变高 从1980 年到2007 年，全球半导体产业与GDP 的相关性越来越高。 以 10 年为区间，计算1980 年到2007 年全球半导体产业增长率与全球GDP 增长率的相关系数，可以发现，两者的相关性有逐渐变大的趋势。 与 GDP 相关性越来越高的主要原因有两个： 首先，半导体产业渐趋成熟，增长渐行渐缓。根据全球半导体贸易统计组织（WSTS）的统计，1990－2000 年间世界半导体市场的年均增长率达到15%，远高于全球GDP增长速度，但1995－2005 年的10 年里年均增长率降到了4.6%。而经过2009 年的衰退，我们预计2010 年世界半导体市场将恢复到2400 亿美元，按此数据计算，2000－2010 年的年均增长率只有1.7%。总的来说，全球半导体产业上世纪80 年代、90年代的两位数增长已成过去，进入了产业成熟期的个位数增长时代，其增长率将与全球GDP 增长一致。
常用半导体器件
第4章常用半导体器件 本章要求了解PN结及其单向导电性，熟悉半导体二极管的伏安特性及其主要参数。理解稳压二极管的稳压特性。了解发光二极管、光电二极管、变容二极管。掌握半导体三极管的伏安特性及其主要参数。了解绝缘栅场效应晶体管的伏安特性及其主要参数。 本章内容目前使用得最广泛的是半导体器件——半导体二极管、稳压管、半导体三极管、绝缘栅场效应管等。本章介绍常用半导体器件的结构、工作原理、伏安特性、主要参数及简单应用。 本章学时6学时 4.1 PN结和半导体二极管 本节学时2学时 本节重点1、PN结的单向导电性； 2、半导体二极管的伏安特性； 3、半导体二极管的应用。 教学方法结合理论与实验，讲解PN结的单向导电性和半导体二极管的伏安特性，通过例题让学生掌握二半导体极管的应用。 4.1.1 PN结的单向导电性 1. N型半导体和Ｐ型半导体 在纯净的四价半导体晶体材料（主要是硅和锗）中掺入微量三价（例如硼）或五价（例如磷）元素，半导体的导电能力就会大大增强。掺入五价元素的半导体中的多数载流子是自由电子，称为电子半导体或N型半导体。而掺入三价元素的半导体中的多数载流子是空穴，称为空穴半导体或Ｐ型半导体。在掺杂半导体中多数载流子（称多子）数目由掺杂浓度确定，而少数载流子（称少子）数目与温度有关，并且温度升高时，少数载流子数目会增加。 2.PN结的单向导电性 当PN结加正向电压时，Ｐ端电位高于N端，PN结变窄,而当PN结加反向电压时，Ｎ端电位高于Ｐ端，PN结变宽,视为截止(不导通)。 4.1.2 半导体二极管 1.结构 半导体二极管就是由一个PN结加上相应的电极引线及管壳封装而成的。由Ｐ区引出的电极称为阳极，Ｎ区引出的电极称为阴极。因为PN结的单向导电性，二极管导通时电流方向是由阳极通过管子内部流向阴极。 2. 二极管的种类 按材料来分，最常用的有硅管和锗管两种；按用途来分，有普通二极管、整流二极管、稳压二极管等多种；按结构来分，有点接触型，面接触型和硅平面型几种，点接触型二极管（一般为锗管）其特点是结面积小，因此结电容小，允许通过的电流也小，适用高频电路的检波或小电流的整流，也可用作数字电路里的开关元件；面接触型二极管（一般为硅管）其特点是结面积大，结电容大，允许通过的电流较大，适用于低频整流；硅平面型二极管，结面积大的可用于大功率整流，结面积小的，适用于脉冲数字电路作开关管。
半导体器件物理及工艺
?平时成绩30% + 考试成绩70% ?名词解释（2x5=10）+ 简答与画图（8x10=80）+ 计算（1x10=10） 名词解释 p型和n型半导体 漂移和扩散 简并半导体 异质结 量子隧穿 耗尽区 阈值电压 CMOS 欧姆接触 肖特基势垒接触 简答与画图 1.从能带的角度分析金属、半导体和绝缘体之间的区别。 2.分析pn结电流及耗尽区宽度与偏压的关系。 3.什么是pn结的整流（单向导电）特性？画出理想pn结电流-电压曲线示意图。 4.BJT各区的结构有何特点？为什么？ 5.BJT有哪几种工作模式，各模式的偏置情况怎样？ 6.画出p-n-p BJT工作在放大模式下的空穴电流分布。 7.MOS二极管的金属偏压对半导体的影响有哪些？ 8.MOSFET中的沟道是多子积累、弱反型还是强反型？强反型的判据是什么？ 9.当VG大于VT且保持不变时，画出MOSFET的I-V曲线，并画出在线性区、非线 性区和饱和区时的沟道形状。 10.MOSFET的阈值电压与哪些因素有关？ 11.半导体存储器的详细分类是怎样的？日常使用的U盘属于哪种类型的存储器，画出 其基本单元的结构示意图，并简要说明其工作原理。 12.画出不同偏压下，金属与n型半导体接触的能带图。 13.金属与半导体可以形成哪两种类型的接触？MESFET中的三个金属-半导体接触分 别是哪种类型？ 14.对于一耗尽型MESFET，画出VG=0, -0.5, -1V（均大于阈值电压）时的I-V曲线示 意图。 15.画出隧道二极管的I-V曲线，并画出电流为谷值时对应的能带图。 16.两能级间的基本跃迁过程有哪些，发光二极管及激光器的主要跃迁机制分别是哪 种？ 计算 Pn结的内建电势及耗尽区宽度
半导体材料的发展现状与趋势
半导体材料的发展现状与趋势
半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs 等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构
的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，
半导体电子元器件基本知识
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。 使用注意事项： 1、在整流电路中流过二极管的平均电流不能超过其最大整流电流； 2、在震荡电路或有电感的回路中注意其最高反向击穿电压的使用问题； 3、整流二极管不应直接串联（大电流时）或并联使用，串联使用时，每个二极管应并联一个均压电阻，其大小按100V（峰值）70K左右计算，并联使用时，每个二极管应串联10
常用半导体器件
《模拟电子技术基础》 （教案与讲稿） 任课教师：谭华 院系：桂林电子科技大学信息科技学院电子工程系 授课班级：2008电子信息专业本科1、2班 授课时间：2009年9月21日------2009年12月23日每周学时：4学时 授课教材：《模拟电子技术基础》（第4版） 清华大学电子学教研组童诗白华成英主编 高教出版社 2009
第一章常用半导体器件 本章内容简介 半导体二极管是由一个PN结构成的半导体器件,在电子电路有广泛的应用。本章在简要地介绍半导体的基本知识后，主要讨论了半导体器件的核心环节——PN 结。在此基础上，还将介绍半导体二极管的结构、工作原理,特性曲线、主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用。最后对齐纳二极管、变容二极管和光电子器件的特性与应用也给予简要的介绍。 （一）主要内容: ?半导体的基本知识 ?PN结的形成及特点，半导体二极管的结构、特性、参数、模型及应用电 路 （二）基本要求: ?了解半导体材料的基本结构及PN结的形成 ?掌握PN结的单向导电工作原理 ?了解二极管（包括稳压管）的V-I特性及主要性能指标 （三）教学要点： ?从半导体材料的基本结构及PN结的形成入手，重点介绍PN结的单向导 电工作原理、 ?二极管的V-I特性及主要性能指标 1.1 半导体的基本知识 1.1.1 半导体材料 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导电性能介于导体与绝缘体之间材料，我们称之为半导体。在电子器件中，常用的半导体材料有：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等；以及掺杂或制成其它化合物半导体材料，如硼（B）、磷（P）、锢（In）和锑（Sb）等。其中硅是最常用的一种半导体材料。 半导体有以下特点： 1．半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间 2．半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。 3．在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。
2019年半导体分立器件行业发展研究
2019年半导体分立器件行业发展研究 （一）半导体行业基本情况 1、半导体概况 （1）半导体的概念 半导体是一种导电性可受控制，常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。半导体的导电性受控制的范围为从绝缘体到几个欧姆之间。半导体具有五大特性：掺杂性（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）、热敏性、光敏性（在光照和热辐射条件下，其导电性有明显 的变化）、负电阻率温度特性，整流特性。半导体产业为电子元器件产业中最重 要的组成部分，在电子、能源行业的众多细分领域均都有广泛的应用。 （2）半导体行业分类 按照制造技术的不同，半导体产业可划分为集成电路、分立器件、其他器件等多类产品，其中集成电路是把基本的电路元件如晶体管、二极管、电阻、电容、电感等制作在一个小型晶片上然后封装起来形成具有多功能的单元，主要实现对
信息的处理、存储和转换；分立器件是指具有单一功能的电路基本元件，主要实现电能的处理与变换，而半导体功率器件是分立器件的重要部分。 分立器件主要包括功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等半导体功率器件产品；其中，MOSFET和IGBT属于电压控制型开关器件，相比于功率三极管、晶闸管等电流控制型开关器件，具有易于驱动、开关速度快、损耗低等特点。公司生产的MOSFET系列产品和IGBT系列产品属于国内技术水平领先的半导体分立器件产品。半导体器件的分类示意图和公司产品所处的领域如下图所示：
在分立器件发展过程中，20 世纪50 年代，功率二极管、功率三极管面世并应用于工业和电力系统。20 世纪60 至70 年代，晶闸管等半导体功率器件快速发展。20世纪70年代末，平面型功率MOSFET 发展起来；20 世纪80 年代后期，沟槽型功率MOSFET 和IGBT 逐步面世，半导体功率器件正式进入电子应用时
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项目六 常用半导体器件及应用 班级 姓名 成绩 一、填空题：（35分） 1.制作半导体器件时，使用最多的半导体材料是 硅 和 锗 。 2.根据载流子数目的不同，可以将半导体分为 本征半导体 、 P 型半导体 和 N 型半导体 三种。 3.PN 结的单向导电性是指：加正向电压 导通 ，加反向电压 截止 。PN 结正偏是指P 区接电源 正 极，N 区接电源 负 极。 4.半导体二极管由一个 PN 结构成，它具有 单向导电 特性。 5.硅二极管的门坎电压是 0.5V ，正向导通压降是 0.7V ；锗二极管的门坎电压是 0.2V ，正向导通压降是 0.3V 。 6.半导体稳压二极管都是 硅 材料制成的。它工作在 反向击穿 状态时，才呈现稳压状态。 7.晶体三极管是由三层半导体、两个PN 结构成的一种半导体器件，两个PN 结分别为 发射结 和 集电结 ；对应的三个极分别是 发射极e 、 基极b 、 集电极c 。 8.半导体三极管中，PNP 的符号是 ，NPN 的符号是 。9.若晶体三极管集电极输出电流I C =9 mA ，该管的电流放大系数为β=50，则其输入电流I B =_0.18_mA 。10.三极管具有电流放大作用的实际是：利用 基极 电流实现对 集电极 电流的控制。因此三极管是 电流 控制型器件。11.三极管的输出特性曲线可分为三个区域，即_放大_区，__饱和_区和_截止_区。12.放大电路静态工作点随 温度 变化而变化， 分压式 偏置电路可较好解决此问题。13.对于一个晶体管放大器来说，一般希望其输入电阻要 大 些，以减轻信号源的负担，提高抗干扰能力；输出电阻要 小 些，以增大带动负载的能力。二、判断题：（10分，将答案填在下面的表格内） 题号12345678910答案××√××√√×√× 1.P 型半导体带正电，N 型半导体带负电。（ ） 2.半导体器件一经击穿便即失效，因为击穿是不可逆的。（ ） 3.桥式整流电路中，若有一只二极管开路，则输出电压为原先的一半。（ ） 4.用两个PN 结就能构成三极管，它就具有放大作用。（ ） 5.β越大的三极管，放大电流的能力越强，管子的性能越好。 6.三极管和二极管都是非线性器件。（ ） 7.三极管每一个基极电流都有一条输出特性曲线与之对应。（ ）等多项对全系统启备高中免不
常用半导体器件习题考答案
第7章 常用半导体器件 习题参考答案 7-1 计算图所示电路的电位U Y （设D 为理想二极管）。 （1）U A ＝U B ＝0时； （2）U A ＝E ，U B ＝0时； （3）U A ＝U B ＝E 时。 解：此题所考查的是电位的概念以及二极管应用的有关知识。从图中可以看出A 、B 两点电位的相对高低影响了D A 和D B 两个二极管的导通与关断。 当A 、B 两点的电位同时为0时，D A 和D B 两个二极管的阳极和阴极（U Y ）两端电位同时为0，因此均不能导通；当U A ＝E ，U B ＝0时，D A 的阳极电位为E ，阴极电位为0（接地），根据二极管的导通条件，D A 此时承受正压而导通，一旦D A 导通，则U Y ＞0，从而使D B 承受反压（U B ＝0）而截止；当U A ＝U B ＝E 时，即D A 和D B 的阳极电位为大小相同的高电位，所以两管同时导通，两个1k Ω的电阻为并联关系。本题解答如下： （1）由于U A ＝U B ＝0，D A 和D B 均处于截止状态，所以U Y ＝0； （2）由U A ＝E ，U B ＝0可知，D A 导通，D B 截止，所以U Y ＝E ? +9 19＝109E ； （3）由于U A ＝U B ＝E ，D A 和D B 同时导通，因此U Y ＝E ?+5.099＝1918E 。 7-2 在图所示电路中，设D 为理想二极管，已知输入电压u i 的波形。试画出输出电压u o 的波形图。 解：此题的考查点为二极管的伏安特性以及电路的基本知识。 首先从（b ）图可以看出，当二极管D 导通时，电阻为零，所以u o ＝u i ；当D 截止时，电阻为无穷大，相当 于断路，因此u o ＝5V ，即是说，只要判断出D 导通与否， 就可以判断出输出电压的波形。要判断D 是否导通，可 以以接地为参考点（电位零点），判断出D 两端电位的高 低，从而得知是否导通。 u o 与u i 的波形对比如右图所示： 7-3 试比较硅稳压管与普通二极管在结构和运用上有 何异同 （参考答案：见教材） 7-4 某人检修电子设备时，用测电位的办法，测出管脚①对地电位为－；管脚②对地电位
常用半导体元件习题及答案
第5章常用半导体元件习题 5.1晶体二极管 一、填空题： 1．半导体材料的导电能力介于和之间，二极管是将 封装起来，并分别引出和两个极。 2．二极管按半导体材料可分为和，按内部结构可分为＿和，按用途分类有、、四种。3．二极管有、、、四种状态，PN 结具有性，即。4．用万用表（R×1K档）测量二极管正向电阻时，指针偏转角度，测量反向电阻时，指针偏转角度。 5．使用二极管时，主要考虑的参数为和二极管的反向击穿是指。 6．二极管按PN结的结构特点可分为是型和型。 7．硅二极管的正向压降约为 V，锗二极管的正向压降约为 V；硅二极管的死区电压约为 V，锗二极管的死区电压约为 V。 8．当加到二极管上反向电压增大到一定数值时，反向电流会突然增大，此现象称为现象。 9．利用万用表测量二极管PN结的电阻值，可以大致判别二极管的、和PN结的材料。 二、选择题： 1. 硅管和锗管正常工作时，两端的电压几乎恒定，分别分为( )。 A.0.2-0.3V 0.6-0.7V B. 0.2-0.7V 0.3-0.6V C.0.6-0.7V 0.2-0.3V D. 0.1-0.2V 0.6-0.7V 的大小为( )。 2.判断右面两图中，U AB A. 0.6V 0.3V B. 0.3V 0.6V C. 0.3V 0.3V D. 0.6V 0.6V 3.用万用表检测小功率二极管的好坏时，应将万用表欧姆档拨到（） Ω档。 A.1×10 B. 1×1000 C. 1×102或1×103 D. 1×105 4. 如果二极管的正反向电阻都很大，说明 ( ) 。 A. 内部短路 B. 内部断路 C. 正常 D. 无法确定 5. 当硅二极管加0.3V正向电压时，该二极管相当于( ) 。 A. 很小电阻 B. 很大电阻 C.短路 D. 开路 6．二极管的正极电位是-20V，负极电位是-10V，则该二极管处于（）。 A．反偏 B．正偏 C．不变D. 断路 7．当环境温度升高时，二极管的反向电流将（） A．增大 B．减小 C．不变D. 不确定 8．PN结的P区接电源负极，N区接电源正极，称为（）偏置接法。
2章 常用半导体器件及应用题解
第二章常用半导体器件及应用 一、习题 2.1填空 1. 半导材料有三个特性，它们是、、。 2. 在本征半导体中加入元素可形成N型半导体，加入元素可形成P型半导体。 3. 二极管的主要特性是。 4．在常温下，硅二极管的门限电压约为V，导通后的正向压降约为V；锗二极管的门限电压约为V，导通后的正向压降约为V。 5．在常温下，发光二极管的正向导通电压约为V，考虑发光二极管的发光亮度和寿命，其工作电流一般控制在mA。 6. 晶体管(BJT)是一种控制器件；场效应管是一种控制器件。 7. 晶体管按结构分有和两种类型。 8. 晶体管按材料分有和两种类型。 9. NPN和PNP晶体管的主要区别是电压和电流的不同。 10. 晶体管实现放大作用的外部条件是发射结、集电结。 11. 从晶体管的输出特性曲线来看，它的三个工作区域分别是、、。 12. 晶体管放大电路有三种组态、、。 13. 有两个放大倍数相同，输入电阻和输出电阻不同的放大电路A和B，对同一个具有内阻的信号源电压进行放大。在负载开路的条件下，测得A放大器的输出电压小，这说明A 的输入电阻。 14．三极管的交流等效输入电阻随变化。 15．共集电极放大电路的输入电阻很，输出电阻很。 16．射极跟随器的三个主要特点是、、。 17．放大器的静态工作点由它的决定，而放大器的增益、输入电阻、输出电阻等由它的决定。 18．图解法适合于，而等效电路法则适合于。 19．在单级共射极放大电路中，如果输入为正弦波，用示波器观察u o和u i的波形的相位关系为；当为共集电极电路时，则u o和u i的相位关系为。 20. 在NPN共射极放大电路中，其输出电压的波形底部被削掉，称为失真，原因是Q点(太高或太低)，若输出电压的波形顶部被削掉，称为失真，原因是Q 点(太高或太低)。如果其输出电压的波形顶部底都被削掉，原因是。 21．某三极管处于放大状态，三个电极A、B、C的电位分别为9V、2V和1.4V，则该三极管属于型，由半导体材料制成。 22．在题图P2.1电路中，某一元件参数变化时，将U CEQ的变化情况(增加；减小；不变)填入相应的空格内。 (1) R b增加时，U CEQ将。 (2) R c减小时，U CEQ将。 (3) R c增加时，U CEQ将。 (4) R s增加时，U CEQ将。 (5) β增加时(换管子)，U CEQ将。
半导体器件工艺与物理期末必考题材料汇总综述
半导体期末复习补充材料 一、名词解释 １、准费米能级 费米能级和统计分布函数都是指的热平衡状态，而当半导体的平衡态遭到破坏而存在非平衡载流子时，可以认为分就导带和价带中的电子来讲，它们各自处于平衡态，而导带和价带之间处于不平衡态，因而费米能级和统计分布函数对导带和价带各自仍然是适用的，可以分别引入导带费米能级和价带费米能级，它们都是局部的能级，称为“准费米能级”，分别用E F n、E F p表示。 ２、直接复合、间接复合 直接复合—电子在导带和价带之间直接跃迁而引起电子和空穴的直接复合。 间接复合—电子和空穴通过禁带中的能级（复合中心）进行复合。 ３、扩散电容 PN结正向偏压时，有空穴从P区注入N区。当正向偏压增加时，由P区注入到N区的空穴增加，注入的空穴一部分扩散走了，一部分则增加了N区的空穴积累，增加了载流子的浓度梯度。在外加电压变化时，N扩散区内积累的非平衡空穴也增加，与它保持电中性的电子也相应增加。这种由于扩散区积累的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为P-N结的扩散电容。用CD表示。 4、雪崩击穿 随着PN外加反向电压不断增大，空间电荷区的电场不断增强，当超过某临界值时，载流子受电场加速获得很高的动能，与晶格点阵原子发生碰撞使之电离，产生新的电子—空穴对，再被电场加速，再产生更多的电子—空穴对，载流子数目在空间电荷区发生倍增，犹如雪崩一般，反向电流迅速增大，这种现象称之为雪崩击穿。 1、PN结电容可分为扩散电容和过渡区电容两种，它们之间的主要区别在于 扩散电容产生于过渡区外的一个扩散长度范围内，其机理为少子的充放 电，而过渡区电容产生于空间电荷区，其机理为多子的注入和耗尽。 2、当MOSFET器件尺寸缩小时会对其阈值电压V T产生影响，具体地，对 于短沟道器件对V T的影响为下降，对于窄沟道器件对V T的影响为上升。 3、在NPN型BJT中其集电极电流I C受V BE电压控制，其基极电流I B受V BE 电压控制。 4、硅-绝缘体SOI器件可用标准的MOS工艺制备，该类器件显著的优点是 寄生参数小，响应速度快等。 5、PN结击穿的机制主要有雪崩击穿、齐纳击穿、热击穿等等几种，其中发
常用的元器件半导体三极管
第六节常用的元器件半导体三极管 半导体三极管是电子设备的关键器件之一。它对信号具有放大及开关控制作用，也用于振荡、调制等，与电子管比较具有体积小、重量轻、坚固耐震、使用寿命长、耗电省等优点。 6.1 半导体三极管的分类 6.2 半导体三极管的极性判别 6.2.1 管型和管脚排列 6.2.2 管脚判别 （1）根据管脚排列及色点判别。有一种等腰三角形排列，其顶点是基极，有红色点的一边是集电极，另一极为发射极。另一种等腰三角形排列，顶点是基极，管帽边缘凸出的一边为发射极，另一极为集电极。还有一种等腰三角形排列，靠不同的色点来区分。顶点与管壳上的红点标记相对应的为集电极，与白点对应的为基极，与绿点对应的为发射极。有些管子管脚排成一条直线而距离相等，则管壳带红点的一边为发射极，中间为集电极，另一脚为基极，靠里的为基极，另一个为集电极。四个管脚的晶体管，若有四个点色，则红色点对应的是集电极，白色点对应的是基极，绿色点对应的是发射极，黑色点对应的是地线。有些四个管脚的晶体管，管壳带有凸缘，可将管脚朝向自己，则从管壳凸缘开始顺时针方向排列依次为发射极、基极、集电极、地线。对塑封晶体管，可将剖去一个平面或去掉一个角的标记朝向自己，则从
左至右依次依次为发射极、基极、集电极。超小型晶体管，其中一个管脚截去一角为标记，定位发射极，与其垂直的管脚为集电极。另一个管脚为基极。还有一种超小型三极管，将球面向上，管脚朝自己，则从左至右依次是基极、集电极、和发射极。以上均可参见图1-23。 （2）用万用表判别。目前晶体管的品种繁多，一般都可以用万用表判别管脚。其依据是：NPN型管子基极到发射极和基极到集电极均为PN结的正向，而PNP型管子基极到发射极和基极到集电极均为PN结反 向。 首先判别管子的基极。将万用表拨 在R*100或R*1k档上，用黑表棒 接触某一管脚，用红表棒分别接触 另两个管脚，如表头读数都很小 （约几千欧），则与黑表棒接触的那一管脚是基极，同时可知此管子为NPN型。若用红表棒接触某一管脚，而用黑表棒分别接触另两个管脚，表头读数同样都很小（约几百欧）时，则与红表棒接触的那一管脚是基极，同时可知此管子为PNP 型。用上述方法既判定了晶体管的基极，又判别了管子的类型。 接着判别发射极和集电极。以NPN型管子为例，确定基极后，假定其余的两只脚中的一只是集电极，将黑表棒接在此脚