半導體器件

絕大部分二端器件（即晶體二極體）的基本結構是一個PN結。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，可用來產生、控制、接收、變換、放大信 號和進行能量轉換。晶體二極體的頻率復蓋範圍可從低頻、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（又稱晶體三極體）。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雜訊晶體管。除了作為放大、振蕩、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，場效應感測器等。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、低雜訊的半導體接收器件接收微弱信號。隨著微波 通信技術的迅速發展，微波半導件低雜訊器件發展很快，工作頻率不斷提高，而雜訊係數不斷下降。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、C（U3）I等系統中已得到廣泛的應用。

晶體二極體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結具有單嚮導電性。此外，PN結的偶極層還起一個電容的作用，這電容隨著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體有：整流二極體、檢波二極體、變頻二極體、變容二極體、開關二極體、穩壓二極體（曾訥二極體）、崩越二極體（碰撞雪崩渡越二極體）和俘越二極體（俘獲等離子體雪崩渡越時間二極體）等。此外，還有利用PN結特殊效應的隧道二極體，以及沒有PN結的肖脫基二極體和耿氏二極體等。

目前，中國的半導體分立器件產業已經在國際市場佔有舉足輕重的地位並保持著持續、快速、穩定的發展。隨著電子整機、消費類電子產品等市場的持續升溫，半導體分立器件仍有很大的發展空間，因此，有關SIC基、GSN基以及封裝等新技術新工藝的發展，新型分立器件在汽車電子、節能照明等熱點領域的應用前景等成了廣受關注的問題。當前全球分立器件市場總體保持穩步向上，而亞洲地區特別是中國市場表現猶為顯眼。據智研諮詢統計顯示，雖然受金融危機和行業周期性調整的影響，目前半導體分立器件行業市場發展處於低迷時期，但前景依然美好。從發展趨勢看，無論是全球還是中國，分立器件在電子信息產品製造業中銷售額度所佔比例正在逐步下降，分立器件產量和產值的增長速率要低於整機系統的增長速率。另一方面，整機系統的快速發展，也為分立器件行業提供了新的市場商機。特別是全球電子整機對節能、環保需求的不斷增長，這一方面帶動了分立器件產品的需求增長，另一方面也帶動了市場產品結構的快速升級。整機系統進一步向小型化、集成化方向發展的趨勢，對分立器件也提出了新的要求，片式貼裝器件已經成為行業發展的主流。中國企業要想在未來市場中競爭中掌握主動權，必須加強原始創新、集成創新和引進消化吸收再創新。

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里，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。

它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，最近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；配上光電二極體列陣，可用作攝像管。

中國半導體器件型號命名方法

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：用數字錶示半導體器件有效電極數目。2-二極體、3-三極體

第二部分：用漢語拼音字母表示半導體器件的材料和極性。表示二極體時：A-N型鍺材料、B-P型鍺材料、C-N型硅材料、D-P型硅材料。表示三極體時：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：用數字錶示序號

第五部分：用漢語拼音字母表示規格號

例如：3DG18表示NPN型硅材料高頻三極體

日本半導體分立器件型號命名方法

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：用數字錶示器件有效電極數目或類型。0-光電（即光敏）二極體三極體及上述器件的組合管、1-二極體、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：用數字錶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。

美國半導體分立器件型號命名方法

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：用數字錶示pn結數目。1-二極體、2=三極體、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體，JAN-軍級、2-三極體、N-EIA 註冊標誌、3251-EIA登記順序號、A-2N3251A檔。

國際電子聯合會半導體器件型號命名方法

德國、法國、義大利、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-檢波開關混頻二極體、B-變容二極體、C-低頻小功率三極體、D-低頻大功率三極體、E-隧道二極體、F-高頻小功率三極體、G-複合器件及其他器件、H-磁敏二極體、K-開放磁路中的霍爾元件、L-高頻大功率三極體、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-倍增二極體、Y-整流二極體、Z-穩壓二極體。

第三部分：用數字或字母加數字錶示登記號。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、穩壓二極體型號的後綴。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、整流二極體後綴是數字，表示器件的最大反向峰值耐壓值，單位是伏特。

3、晶閘管型號的後綴也是數字，通常標出最大反向峰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硅低頻大功率三極體，AF239S-表示PNP鍺高頻小功率三極體。

把晶體二極體、三極體以及電阻電容都製作在同一塊硅晶元上，稱為集成電路。一塊硅晶元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。近十年來集成電路的集成度以每年增加一倍的速度在增長。目前每個晶元上集成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后電阻變小的效應。此外，光電二極體、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體來探測。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製成的粒子探測器。

半導體發光二極體的結構是一個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，可以在室溫下連續工作。

智研數據研究中心調查：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近年來很受人們重視。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。目前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。

常見的半導體器件有：二極體、三極體、場效應管、晶閘管、達林頓管、單結晶體管、LED以及含有半導體管的集成塊、晶元等。

今年是摩爾法則(Moore’slaw)問世50周年，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年裡，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，網際網路將全世界聯繫起來，多媒體視聽設備豐富著每個人的生活。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晶元。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晶元技術的法則；不久的將來，它有可能擴展到無線技術、光學技術、感測器技術等領域，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，隨著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？專家們對此眾說紛紜。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。

書 名: 半導體

器件

作者：布倫南高建軍劉新宇

出版社：機械工業出版社

出版時間： 2010年05月

ISBN: 9787111298366

定價: 36元

《半導體器件：計算和電信中的應用》從半導體基礎開始，介紹了目前電信和計算產業中半導體器件的發展現狀，在器件方面為電子工程提供了堅實的基礎。內容涵蓋未來計算硬體和射頻功率放大器的實現方法，闡述了計算和電信的發展趨勢和系統要求對半導體器件的選擇、設計及工作特性的影響。

《半導體器件：計算和電信中的應用》首先討論了半導體的基本特性；接著介紹了基本的場效應器件MODFET和M0SFET，以及器件尺寸不斷縮小所帶來的短溝道效應和面臨的挑戰；最後討論了光波和無線電信系統中半導體器件的結構、特性及其工作條件。

Kevin F Brennan曾獲得美國國家科學基金會的青年科學家獎。2002年被喬治亞理工大學ECE學院任命為傑出教授，同年還獲得特別貢獻獎，以表彰他對研究生教育所作出的貢獻。2003年，他獲得喬治亞理工大學教職會員最高榮譽——傑出教授獎。他還是IEEE電子器件學會傑出講師。

譯者序

前言

第1章 半導體基礎

1.1 半導體的定義

1.2 平衡載流子濃度與本徵材料

1.3 雜質半導體材料

思考題

第2章 載流子的運動

2.1 載流子的漂移運動與擴散運動

2.2 產生-複合

2.3 連續性方程及其解

思考題

第3章 結

3.1 處於平衡狀態的pn結

3.2 不同偏壓下的同質pn結

3.3 理想二極體行為的偏離

3.4 載流子的注入、拉出、電荷控制分析及電容

3.5 肖特基勢壘

思考題

第4章 雙極結型晶體管

4徠.1 BJT工作原理

4.2 BJT的二階效應

4.2.1 基區漂移

4.2.2 基區寬度調製/Early效應

4.2.3 雪崩擊穿

4.3 BJT的高頻特性

思考題

第5章結型場效應晶體管和金屬半導體場效應晶體管

5.1 JFE

《半導體器件(第12-2部分):光電子器件纖維光學系統或子系統用帶尾纖的激光二極體模塊空白詳細規範(GB/T 18904.2-2002)》由中國標準出版社出版。

前言

1範圍

2總則

2.1優先順序

2.2有關文件

2.3單位、符號和術語

2.4電壓、電流和溫度的優先值

2.5標誌

2.6質量評定類別

2.7篩選

2.8注意事項

3質量評定程序

3.1鑒定批准的資格

3.2商業保密信息

3.3檢驗批的構成

3.4結構相似器件

3.5鑒定批准的授予

3.6質量一致性檢驗

3.7統計抽樣程序

3.8規定LTPD時的耐久性試驗

3.9規定失效率時的耐久性試驗

3.10加速試驗程序

3.11能力批准

4試驗和測試程序

4.1電測試和光測試的標準大氣條件

4.2破壞性試驗定義

4.3物理檢查

4.4電測試和光測試

4.5環境試驗

附錄A（規範性附錄）批允許不合格品率（LTPD）抽樣方案

附錄B（規範性附錄）需檢查的尺寸

附錄C（規範性附錄）機械試驗加力的方向

附錄D（資料性附錄）按ppm（百萬分之一）評價質量水平

附錄NA（資料性附錄）本標準對IEC60747—10：1991所做的編輯性修改和原因