半导体器件教程

半导体器件教程

半导体器件是由既非导体也非绝缘体的材料制成的电路元件，用于设计电子电路和系统。具有介于良导体和良绝缘体之间的性质的材料称为半导体。半导体器件因其体积小、寿命长、模块化设计、可靠性高和成本效益高等优点而广泛应用于许多电子电路和应用中。

半导体器件作为分立元件存在于所有电子设备和系统中。由于其广泛的电流和电压处理能力，这些器件在从微电子到电力电子的各种电路和系统中越来越受欢迎。半导体器件通常可以处理几nA到超过5kA的电流，以及高于100kV的电压。

半导体器件的另一个重要优点是它们可以集成到复杂但易于制造的电子电路中，称为集成电路（IC）。

本教程旨在解释半导体器件的功能运行，解释这些器件在电路中的工作原理等。本教程中的每个主题都使用电路图进行了详细解释，以便更好地理解。

完成本教程后，学生或读者将达到中等水平的专业知识，能够解释与半导体器件相关的基础知识。

什么是半导体？

电导率（或电阻率）介于导体（金属）和绝缘体之间的工程材料称为半导体。这些材料广泛用于制造电子器件，例如二极管、晶体管、SCR等。

半导体材料可以是纯元素，如硅、锗等，也可以是化合物，如砷化镓。

半导体材料大致分为以下两种主要类型：

• 本征半导体 - 以最纯净的化学形式存在并作为单一元素存在的半导体称为本征半导体。本征半导体的例子包括硅、锗等。
• 外延半导体 - 通过向纯半导体中添加杂质以增强其电导率而获得的半导体称为外延半导体。砷化镓是外延半导体的一个例子。

外延半导体进一步分为两种类型，即N型半导体和P型半导体。

半导体的性质

以下是半导体的一些重要性质：

• 半导体的电阻率在10^-5 Ωm和10⁶ Ωm之间，电导率在10⁵ mho/m和10^-6 mho/m之间。
• 半导体具有负温度系数电阻。因此，半导体的电阻随温度升高而降低。
• 在半导体中，电流的流动是由于电子和空穴。
• 在0开尔文温度下，半导体变成绝缘体。
• 半导体在用于能量转换、开关等时，功率损耗较低。

一些常见的半导体材料

本节简要介绍了一些最常用的半导体材料：

• 硅 (Si) - 它是制造半导体器件最常用的半导体材料。它之所以如此受欢迎，是因为其成本低、工艺简单且温度范围广。
• 锗 (Ge) - 锗是电子器件中第二常用的半导体材料。如今，由于其热敏性，其用途不如硅。然而，它正被用于与硅合金化以制造超高速SiGe器件。
• 砷化镓 (GaAs) - GaAs 也用于制造高速半导体器件。然而，由于其晶片尺寸限制较小，生产 GaAs 器件的成本更高。
• 氮化镓 (GaN) - GaN 是一种具有高强度和热导率的半导体材料。因此，它被广泛用于制造大功率器件，例如功率IC、LED、射频器件等。
• 碳化硅 (SiC) - SiC 也在某些半导体器件中用作原料半导体材料。它主要用于设计用于在高温和电离辐射环境中运行的器件。由SiC制造的一些常见器件示例包括功率IC、IMPATT二极管和蓝色LED。

什么是半导体器件？

半导体器件是一种由半导体材料（如硅、锗、砷化镓或任何有机半导体材料）制成的电子器件，其工作原理取决于这些材料的电子特性。

半导体器件在固态下传导电流，而不是像金属中的自由电子和离子化气体中的离子那样。这些器件可以制造为单个分立器件或集成电路，在一个单元中包含多个器件。

半导体器件中的电流传导主要由称为自由电子和空穴的移动电荷载流子引起。使用N型半导体制成的半导体器件具有负电荷，即电子作为多数电荷载流子；使用P型半导体制成的器件具有正电荷，即空穴作为多数电荷载流子。

MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是世界上最常用的半导体器件之一。其他半导体器件包括BJT、二极管、SCR、IGBT、UJT等等。

半导体器件的主要类型

如今有数千种半导体器件。这里简要介绍了一些主要的半导体器件：

二极管

二极管是一种两端半导体器件，具有pn结。因此，它也称为pn结二极管。它是由p型半导体和n型半导体材料连接而成的。在结处，它有一个耗尽区，该耗尽区阻止电荷载流子穿过结。二极管的工作原理如下：

• 当p侧端子连接到更高的电位，而n侧端子连接到较低的电位时，耗尽区减小，允许电荷移动，从而允许电流通过二极管。这称为二极管的正向偏置。二极管充当闭合开关。
• 与之相反，当p侧相对于n侧连接到较低的电位时，耗尽区变宽，限制了电荷穿过结的移动，因此没有电流流过器件。这种情况称为二极管的反向偏置。二极管充当开路开关。

双极结型晶体管 (BJT)

BJT 是一种三端半导体器件，具有两个pn结。它具有三个半导体区域，即发射极、基极和集电极。

BJT 的工作原理取决于其在电路中的配置，这里简要描述如下：

• 当BJT的一个结正向偏置（主要是发射极-基极结），另一个结（基极-集电极）反向偏置时，BJT工作在放大区并充当放大器。
• 当BJT的两个结都正向偏置时，器件工作在饱和区并充当闭合开关。
• 当BJT的两个结都反向偏置时，器件工作在截止区并充当开路开关。

因此，BJT 用于两种用途，即在各种电子设备中放大和开关信号。

场效应晶体管 (FET)

FET是另一种晶体管，具有三个端子，即源极 (S)、栅极 (G) 和漏极 (D)。在FET中，通过使用电场来控制通过器件的电流。场效应晶体管广泛用于计算机IC和存储芯片。

FET进一步分为两种类型，即结型场效应晶体管 (JFET) 和金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。

绝缘栅双极晶体管 (IGBT)

IGBT是一种三端半导体器件，用于高功率应用中的开关用途。IGBT具有三个端子，即发射极 (E)、栅极 (G) 和集电极 (C)。它由四个交替的半导体层（即NPNP）和MOS（金属-氧化物半导体）栅极结构组成。它主要用于需要高效率快速开关的应用中，例如在VFD、UPS等中。

可控硅整流器 (SCR)

SCR是一种功率半导体器件，具有三个端子，即阳极、阴极和栅极。它具有四个交替的n型和p型半导体层，结构为PNPN，其中外层P层形成阳极，外层N层形成阴极。内层P层连接到栅极端子。

作为一种功率半导体器件，SCR广泛应用于高功率和大电压电路中，例如逆变器、电机控制电路、电源调节器、调光器等。

半导体器件的优点

与机械和电磁器件相比，半导体器件具有多种优势，其中一些关键优势列在下面：

• 半导体器件尺寸非常紧凑。
• 半导体器件功耗低，因此能源效率更高。
• 半导体器件不涉及任何机械运动；因此，它们具有高速运行的特点。
• 半导体器件的可扩展性和大规模生产更容易。
• 由于没有运动部件，半导体器件更耐用且可靠。
• 半导体器件用途广泛。例如，晶体管既可以用于放大，也可以用于开关。
• 半导体器件可以制造为复杂的集成电路形式，因此它们节省空间。

半导体器件的缺点

除了优点之外，半导体器件也有一些缺点，如下所示：

• 半导体器件对温度变化高度敏感，高温会降低其性能或导致失效。
• 半导体器件在功率处理能力方面耐受性有限。
• 半导体器件的设计和制造初始成本非常高。
• 半导体器件的性能会随着时间的推移而下降，它们需要在一定时间后更换。
• 半导体器件可能会因静电放电而永久损坏。
• 半导体器件的制造工艺非常复杂且资源密集。
• 大多数半导体器件不可修复，如果出现故障则必须更换。

半导体器件的应用

半导体器件的应用非常广泛，从微电子学到电力电子学。下面给出一些突出半导体器件应用的常见示例：

• 像晶体管和二极管这样的半导体器件被用作数字逻辑门的构建块。
• 半导体器件用于设计数字电路，如计数器、寄存器、存储器件等。
• 半导体器件也用于微处理器和微控制器。
• 半导体器件用于设计模拟电路，如放大器、振荡器、整流器等。
• 半导体器件也用于设计混合信号电路。
• 具有高功率处理能力的半导体器件用于高电流和电压应用，如开关电源、电机控制、变频器等。

您将学习哪些半导体器件？

• 半导体器件简介 − 本章概述了导体、绝缘体和半导体
• 原子组合 − 在本章中，您将学习不同类型的原子键合。
• 固体材料中的导电性 − 本章解释了固体材料中电流传导背后的理论，并概述了能带。
• 电导率和迁移率 − 本章简要解释了载流子的电导率和迁移率。
• 半导体类型 − 在本章中，您将学习不同类型的半导体及其特性。
• 半导体掺杂 − 本章描述了掺杂的概念及其对半导体电导率的影响。
• 结型二极管 − 本章解释了PN结二极管的构造。
• 耗尽区 − 在本节中，您将了解PN结处耗尽区是如何形成的。
• 势垒电位 − 本章解释了势垒电位的概念及其对PN结电流的影响。
• 结型偏置 − 本节讨论了PN结二极管的正向和反向偏置。
• 漏电流 − 在本章中，您将了解结型二极管中的漏电流及其影响因素。
• 二极管特性 − 本章解释了二极管在正向和反向偏置条件下的IV特性。
• 发光二极管 (LED) − 在本节中，您将学习LED的构造、工作原理、优点和应用。
• 齐纳二极管 − 本章描述了齐纳二极管的构造、工作原理和特性。
• 光电二极管 − 本章概述了光电二极管及其工作原理。
• 光伏电池 − 在本章中，您将找到关于光伏电池的工作原理和特性的简要描述。
• 变容二极管 − 本章概述了变容二极管及其工作原理。
• 双极型晶体管 − 本章描述了NPN和PNP晶体管及其构造。
• 晶体管的构造 − 在本章中，您将学习晶体管构造中使用的不同技术。
• 晶体管偏置 − 本章解释了晶体管的工作原理和偏置方法。
• 晶体管的配置 − 本节描述了晶体管的三种主要配置及其应用。
• 场效应晶体管 (FET) − 本章概述了场效应晶体管、其构造和特性。
• 结型场效应晶体管 (JFET) 偏置 − 本章旨在解释结型场效应晶体管 (JFET) 的不同偏置方法。
• MOSFET − 本章概述了D-MOSFET和E-MOSFET的构造和工作原理。
• 运算放大器 − 在本章中，您将学习运算放大器 (Op-Amps) 的构造和工作原理。
• 实际运算放大器 − 本部分解释了一些实际的运算放大器，例如反相运算放大器、同相运算放大器和反相加法运算放大器。
• 积分器 − 在本章中，您将了解一种基于运算放大器的电路——积分器。
• 微分器 − 本章概述了微分器电路及其重要参数。
• 振荡器 − 在本节中，您将找到对不同类型振荡器及其电路的讨论。
• 反馈和补偿 − 本章解释了半导体器件中使用的不同反馈机制和偏置补偿方法。

谁应该学习半导体器件？

本教程将对所有希望了解半导体器件的读者有所帮助。它也可以作为以下任何人的半导体器件有用资源：

• 想要深入学习半导体器件的人
• 想要在电子领域发展职业生涯的初学者和新手读者
• 攻读电气和电子专业工程课程的学生
• 在电气、电子、仪表、控制、通信、生物医学等领域工作的工程师

学习半导体器件的先决条件

我们不假设需要任何电子学方面的预备知识来理解本教程。内容面向绝对初学者，应该对大多数读者有用。但是，如果读者对原子、固态材料、电压、电流、电阻、电容等有基本了解，那么掌握这里介绍的概念将更容易。

关于半导体器件的常见问题

在本节中，我们收集了一些与半导体器件相关的最常见问题 (FAQ)，以及它们的答案。

为什么半导体在电子学中很重要？

半导体在电子领域发挥着重要作用，因为它们允许开发具有低功耗、重量轻、尺寸小巧、开关速度快等特性的器件。

什么是N型和P型半导体？

N型和P型是外延半导体的类型，定义如下：

• N型半导体是通过用五价杂质（如磷）掺杂硅或锗获得的，其主要载流子是自由电子。
• P型半导体是通过用三价杂质（如硼）掺杂硅或锗获得的，其主要载流子是空穴。

什么是MOSFET，为什么它被广泛使用？

MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种用于电子电路中开关操作的半导体器件。它比其他类型的晶体管更广泛地使用，因为它具有高功率效率，提供高速开关操作，并且只需要低栅极电流。

什么是集成电路 (IC)？

集成电路 (IC) 是一种复杂的电子电路，在一个小型半导体晶片上包含多个组件，如晶体管、二极管、电阻器、电容器等。

二极管如何工作？

二极管是一种单向半导体器件，当在其两端施加正向电压时，允许电流流过它。在电子电路中，它主要用于整流（将交流电转换为直流电）和开关电源。

最常见的半导体器件类型有哪些？

以下是一些最常见的半导体器件类型：

• PN结二极管
• 齐纳二极管
• 发光二极管
• 双极结型晶体管 (BJT)
• 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)
• 绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 等。

什么是光伏电池，它是如何工作的？

光伏电池只不过是一种将光能转换为电能的半导体二极管。它的工作原理是基于光电效应。

摩尔定律与半导体有什么关系？

摩尔定律基本上是对历史趋势的观察，而不是物理定律。这条定律说，人们发现单个集成电路上的晶体管数量大约每两年翻一番。

哪些常用设备使用半导体？

我们日常生活中使用的一些常用设备和产品包括智能手机、电脑和笔记本电脑、智能电视、智能手表、LED灯等。