半導體器件

半導體器件（semiconductor device）通常利用不同的半導體材料、採用不同的工藝和幾何結構，已研製出種類繁多、功能用途各異的多種晶體二極，晶體二極管的頻率覆蓋範圍可從低頻、高頻、微波、毫米波、紅外直至光波。三端器件一 般是有源器件，典型代表是各種晶體管（又稱晶體三極管）。晶體管又可以分為雙極型晶體管和場效應晶體管兩 類。根據用途的不同，晶體管可分為功率晶體管微波晶體管和低噪聲晶體管。除了作為放大、振盪、開關用的 一般晶體管外，還有一些特殊用途的晶體管，如光晶體管、磁敏晶體管，場效應傳感器等。這些器件既能把一些 環境因素的信息轉換為電信號，又有一般晶體管的放大作用得到較大的輸出信號。此外，還有一些特殊器件，如單結晶體管可用於產生鋸齒波，可控硅可用於各種大電流的控制電路，電荷耦合器件可用作攝橡器件或信息存 儲器件等。在通信和雷達等軍事裝備中，主要靠高靈敏度、低噪聲的半導體接收器件接收微弱信號。隨着微波 通信技術的迅速發展，微波半導件低噪聲器件發展很快，工作頻率不斷提高，而噪聲係數不斷下降。微波半導體 器件由於性能優異、體積小、重量輕和功耗低等特性，在防空反導、電子戰等系統中已得到廣泛的應用 。

晶體二極管的基本結構是由一塊 P型半導體和一塊N型半導體結合在一起形成一個 PN結。在PN結的交界面處，由於P型半導體中的空穴和N型半導體中的電子要相互向對方擴散而形成一個具有空間電荷的偶極層。這偶極層阻止了空穴和電子的繼續擴散而使PN結達到平衡狀態。當PN結的P端（P型半導體那邊）接電源的正極而另一端接負極時，空穴和電子都向偶極層流動而使偶極層變薄，電流很快上升。如果把電源的方向反過來接，則空穴和電子都背離偶極層流動而使偶極層變厚，同時電流被限制在一個很小的飽和值內(稱反向飽和電流)。因此，PN結具有單向導電性。此外，PN結的偶極層還起一個電容的作用，這電容隨着外加電壓的變化而變化。在偶極層內部電場很強。當外加反向電壓達到一定閾值時，偶極層內部會發生雪崩擊穿而使電流突然增加幾個數量級。利用PN結的這些特性在各種應用領域內製成的二極管有：整流二極管、檢波二極管、變頻二極管、變容二極管、開關二極管、穩壓二極管（曾訥二極管）、崩越二極管（碰撞雪崩渡越二極管）和俘越二極管（俘獲等離子體雪崩渡越時間二極管）等。此外，還有利用PN結特殊效應的隧道二極管，以及沒有PN結的肖脱基二極管和耿氏二極管等。

它是由兩個PN結構成，其中一個PN結稱為發射結，另一個稱為集電結。兩個結之間的一薄層半導體材料稱為基區。接在發射結一端和集電結一端的兩個電極分別稱為發射極和集電極。接在基區上的電極稱為基極。在應用時，發射結處於正向偏置，集電極處於反向偏置。通過發射結的電流使大量的少數載流子注入到基區裏，這些少數載流子靠擴散遷移到集電結而形成集電極電流，只有極少量的少數載流子在基區內複合而形成基極電流。集電極電流與基極電流之比稱為共發射極電流放大係數。在共發射極電路中，微小的基極電流變化可以控制很大的集電極電流變化，這就是雙極型晶體管的電流放大效應。雙極型晶體管可分為NPN型和PNP型兩類。

場效應晶體管依靠一塊薄層半導體受橫向電場影響而改變其電阻（簡稱場效應），使具有放大信號的功能。這薄層半導體的兩端接兩個電極稱為源和漏。控制橫向電場的電極稱為柵。

根據柵的結構,場效應晶體管可以分為三種：

①結型場效應管(用PN結構成柵極)；

②MOS場效應管（用金屬-氧化物－半導體構成柵極,見金屬－絕緣體－半導體系統）；

③MES場效應管（用金屬與半導體接觸構成柵極）;其中MOS場效應管使用最廣泛。尤其在大規模集成電路的發展中,MOS大規模集成電路具有特殊的優越性。MES場效應管一般用在GaAs微波晶體管上。

在MOS器件的基礎上,又發展出一種電荷耦合器件 (CCD)，它是以半導體表面附近存儲的電荷作為信息，控制表面附近的勢阱使電荷在表面附近向某一方向轉移。這種器件通常可以用作延遲線和存儲器等；配上光電二極管列陣，可用作攝像管。

半導體器件型號由五部分（場效應器件、半導體特殊器件、複合管、PIN型管、激光器件的型號命名只有第三、四、五部分）組成。五個部分意義如下：

第一部分：用數字表示半導體器件有效電極數目。2-二極管、3-三極管

第二部分：用漢語拼音字母表示半導體器件的材料和極性。表示二極管時：A-N型鍺材料、B-P型鍺材料、C-N型硅材料、D-P型硅材料。表示三極管時：A-PNP型鍺材料、B-NPN型鍺材料、C-PNP型硅材料、D-NPN型硅材料。

第三部分：用漢語拼音字母表示半導體器件的類型。P-普通管、V-微波管、W-穩壓管、C-參量管、Z-整流管、L-整流堆、S-隧道管、N-阻尼管、U-光電器件、K-開關管、X-低頻小功率管(F<3MHz,Pc3MHz,Pc<1W)、D-低頻大功率管（f1W)、A-高頻大功率管（f>3MHz,Pc>1W)、T-半導體晶閘管（可控整流器）、Y-體效應器件、B-雪崩管、J-階躍恢復管、CS-場效應管、BT-半導體特殊器件、FH-複合管、PIN-PIN型管、JG-激光器件。

第四部分：用數字表示序號

第五部分：用漢語拼音字母表示規格號

例如：3DG18表示NPN型硅材料高頻三極管

日本生產的半導體分立器件，由五至七部分組成。通常只用到前五個部分，其各部分的符號意義如下：

第一部分：用數字表示器件有效電極數目或類型。0-光電（即光敏）二極管三極管及上述器件的組合管、1-二極管、2三極或具有兩個pn結的其他器件、3-具有四個有效電極或具有三個pn結的其他器件、┄┄依此類推。

第二部分：日本電子工業協會JEIA註冊標誌。S-表示已在日本電子工業協會JEIA註冊登記的半導體分立器件。

第三部分：用字母表示器件使用材料極性和類型。A-PNP型高頻管、B-PNP型低頻管、C-NPN型高頻管、D-NPN型低頻管、F-P控制極可控硅、G-N控制極可控硅、H-N基極單結晶體管、J-P溝道場效應管、K-N 溝道場效應管、M-雙向可控硅。

第四部分：用數字表示在日本電子工業協會JEIA登記的順序號。兩位以上的整數-從“11”開始，表示在日本電子工業協會JEIA登記的順序號；不同公司的性能相同的器件可以使用同一順序號；數字越大，越是產品。

第五部分： 用字母表示同一型號的改進型產品標誌。A、B、C、D、E、F表示這一器件是原型號產品的改進產品。

美國晶體管或其他半導體器件的命名法較混亂。美國電子工業協會半導體分立器件命名方法如下：

第一部分：用符號表示器件用途的類型。JAN-軍級、JANTX-特軍級、JANTXV-超特軍級、JANS-宇航級、（無）-非軍用品。

第二部分：用數字表示pn結數目。1-二極管、2=三極管、3-三個pn結器件、n-n個pn結器件。

第三部分：美國電子工業協會（EIA）註冊標誌。N-該器件已在美國電子工業協會（EIA）註冊登記。

第四部分：美國電子工業協會登記順序號。多位數字-該器件在美國電子工業協會登記的順序號。

第五部分：用字母表示器件分檔。A、B、C、D、┄┄-同一型號器件的不同檔別。如：JAN2N3251A表示PNP硅高頻小功率開關三極管，JAN-軍級、2-三極管、N-EIA 註冊標誌、3251-EIA登記順序號、A-2N3251A檔。

德國、法國、意大利、荷蘭、比利時等歐洲國家以及匈牙利、羅馬尼亞、南斯拉夫、波蘭等東歐國家，大都採用國際電子聯合會半導體分立器件型號命名方法。這種命名方法由四個基本部分組成，各部分的符號及意義如下：

第一部分：用字母表示器件使用的材料。A-器件使用材料的禁帶寬度Eg=0.6～1.0eV 如鍺、B-器件使用材料的Eg=1.0～1.3eV 如硅、C-器件使用材料的Eg>1.3eV 如砷化鎵、D-器件使用材料的Eg<0.6eV 如銻化銦、E-器件使用複合材料及光電池使用的材料

第二部分：用字母表示器件的類型及主要特徵。A-檢波開關混頻二極管、B-變容二極管、C-低頻小功率三極管、D-低頻大功率三極管、E-隧道二極管、F-高頻小功率三極管、G-複合器件及其他器件、H-磁敏二極管、K-開放磁路中的霍爾元件、L-高頻大功率三極管、M-封閉磁路中的霍爾元件、P-光敏器件、Q-發光器件、R-小功率晶閘管、S-小功率開關管、T-大功率晶閘管、U-大功率開關管、X-倍增二極管、Y-整流二極管、Z-穩壓二極管。

第三部分：用數字或字母加數字表示登記號。三位數字-代表通用半導體器件的登記序號、一個字母加二位數字-表示專用半導體器件的登記序號。

第四部分：用字母對同一類型號器件進行分檔。A、B、C、D、E┄┄-表示同一型號的器件按某一參數進行分檔的標誌。

除四個基本部分外，有時還加後綴，以區別特性或進一步分類。常見後綴如下：

1、穩壓二極管型號的後綴。其後綴的第一部分是一個字母，表示穩定電壓值的容許誤差範圍，字母A、B、C、D、E分別表示容許誤差為±1%、±2%、±5%、±10%、±15%；其後綴第二部分是數字，表示標稱穩定電壓的整數數值；後綴的第三部分是字母V，代表小數點，字母V之後的數字為穩壓管標稱穩定電壓的小數值。

2、整流二極管後綴是數字，表示器件的最大反向峯值耐壓值，單位是伏特。

3、晶閘管型號的後綴也是數字，通常標出最大反向峯值耐壓值和最大反向關斷電壓中數值較小的那個電壓值。

如：BDX51-表示NPN硅低頻大功率三極管，AF239S-表示PNP鍺高頻小功率三極管。

把晶體二極管、三極管以及電阻電容都製作在同一塊硅芯片上，稱為集成電路。一塊硅芯片上集成的元件數小於 100個的稱為小規模集成電路，從 100個元件到1000 個元件的稱為中規模集成電路，從1000 個元件到100000 個元件的稱為大規模集成電路，100000 個元件以上的稱為超大規模集成電路。集成電路是當前發展計算機所必需的基礎電子器件。許多工業先進國家都十分重視集成電路工業的發展。集成電路的集成度以每年增加一倍的速度在增長。每個芯片上集成256千位的MOS隨機存儲器已研製成功，正在向1兆位 MOS隨機存儲器探索。

光電探測器的功能是把微弱的光信號轉換成電信號，然後經過放大器將電信號放大，從而達到檢測光信號的目的。光敏電阻是最早發展的一種光電探測器。它利用了半導體受光照後電阻變小的效應。此外，光電二極管、光電池都可以用作光電探測元件。十分微弱的光信號，可以用雪崩光電二極管來探測。它是把一個PN結偏置在接近雪崩的偏壓下，微弱光信號所激發的少量載流子通過接近雪崩的強場區，由於碰撞電離而數量倍增，因而得到一個較大的電信號。除了光電探測器外，還有與它類似的用半導體制成的粒子探測器。

半導體發光二極管的結構是一個PN結，它正向通電流時，注入的少數載流子靠複合而發光。它可以發出綠光、黃光、紅光和紅外線等。所用的材料有 GaP、GaAs、GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs、In1-xGaxAs1-yPy等。

如果使高效率的半導體發光管的發光區處在一個光學諧振腔內，則可以得到激光輸出。這種器件稱為半導體激光器或注入式激光器。最早的半導體激光器所用的PN結是同質結，以後採用雙異質結結構。雙異質結激光器的優點在於它可以使注入的少數載流子被限制在很薄的一層有源區內複合發光，同時由雙異質結結構組成的光導管又可以使產生的光子也被限制在這層有源區內。因此雙異質結激光器有較低的閾值電流密度，可以在室温下連續工作。

當光線投射到一個PN結上時，由光激發的電子空穴對受到PN結附近的內在電場的作用而向相反方向分離，因此在PN結兩端產生一個電動勢，這就成為一個光電池。把日光轉換成電能的日光電池很受人們重視。最先應用的日光電池都是用硅單晶製造的，成本太高，不能大量推廣使用。國際上都在尋找成本低的日光電池，用的材料有多晶硅和無定形硅等。

利用半導體的其他特性做成的器件還有熱敏電阻、霍耳器件、壓敏元件、氣敏晶體管和表面波器件等。

今年是摩爾法則(Moore’slaw)問世50週年，這一法則的誕生是半導體技術發展史上的一個里程碑。

這50年裏，摩爾法則成為了信息技術發展的指路明燈。計算機從神秘不可近的龐然大物變成多數人都不可或缺的工具，信息技術由實驗室進入無數個普通家庭，因特網將全世界聯繫起來，多媒體視聽設備豐富着每個人的生活。這一法則決定了信息技術的變化在加速，產品的變化也越來越快。人們已看到，技術與產品的創新大致按照它的節奏，超前者多數成為先鋒，而落後者容易被淘汰。

這一切背後的動力都是半導體芯片。如果按照舊有方式將晶體管、電阻和電容分別安裝在電路板上，那麼不僅個人電腦和移動通信不會出現，連基因組研究、計算機輔助設計和製造等新科技更不可能問世。有關專家指出,摩爾法則已不僅僅是針對芯片技術的法則;不久的將來，它有可能擴展到無線技術、光學技術、傳感器技術等領域，成為人們在未知領域探索和創新的指導思想。

毫無疑問，摩爾法則對整個世界意義深遠。不過，隨着晶體管電路逐漸接近性能極限，這一法則將會走到盡頭。摩爾法則何時失效？專家們對此眾説紛紜。早在1995年在芝加哥舉行信息技術國際研討會上，美國科學家和工程師傑克·基爾比表示，5納米處理器的出現或將終結摩爾法則。中國科學家和未來學家周海中在此次研討會上預言，由於納米技術的快速發展，30年後摩爾法則很可能就會失效。2012年，日裔美籍理論物理學家加來道雄在接受智囊網站採訪時稱，“在10年左右的時間內，我們將看到摩爾法則崩潰。”前不久，摩爾本人認為這一法則到2020年的時候就會黯然失色。一些專家指出，即使摩爾法則壽終正寢，信息技術前進的步伐也不會變慢。 ^[1] 

2023年，問天實驗艙元器件與組件艙外通用試驗裝置將開展新型半導體器件的空間環境效應試驗 ^[2]  。