半導體器件教程

半導體器件教程

半導體器件是由既非導體也非絕緣體的材料製成的電路元件，用於設計電子電路和系統。具有介於良導體和良絕緣體之間的性質的材料稱為半導體。半導體器件因其體積小、壽命長、模組化設計、可靠性高和成本效益高等優點而廣泛應用於許多電子電路和應用中。

半導體器件作為分立元件存在於所有電子裝置和系統中。由於其廣泛的電流和電壓處理能力，這些器件在從微電子到電力電子的各種電路和系統中越來越受歡迎。半導體器件通常可以處理幾nA到超過5kA的電流，以及高於100kV的電壓。

半導體器件的另一個重要優點是它們可以整合到複雜但易於製造的電子電路中，稱為積體電路（IC）。

本教程旨在解釋半導體器件的功能執行，解釋這些器件在電路中的工作原理等。本教程中的每個主題都使用電路圖進行了詳細解釋，以便更好地理解。

完成本教程後，學生或讀者將達到中等水平的專業知識，能夠解釋與半導體器件相關的基礎知識。

什麼是半導體？

電導率（或電阻率）介於導體（金屬）和絕緣體之間的工程材料稱為半導體。這些材料廣泛用於製造電子器件，例如二極體、電晶體、SCR等。

半導體材料可以是純元素，如矽、鍺等，也可以是化合物，如砷化鎵。

半導體材料大致分為以下兩種主要型別：

• 本徵半導體 - 以最純淨的化學形式存在並作為單一元素存在的半導體稱為本徵半導體。本徵半導體的例子包括矽、鍺等。
• 外延半導體 - 透過向純半導體中新增雜質以增強其電導率而獲得的半導體稱為外延半導體。砷化鎵是外延半導體的一個例子。

外延半導體進一步分為兩種型別，即N型半導體和P型半導體。

半導體的性質

以下是半導體的一些重要性質：

• 半導體的電阻率在10^-5 Ωm和10⁶ Ωm之間，電導率在10⁵ mho/m和10^-6 mho/m之間。
• 半導體具有負溫度係數電阻。因此，半導體的電阻隨溫度升高而降低。
• 在半導體中，電流的流動是由於電子和空穴。
• 在0開爾文溫度下，半導體變成絕緣體。
• 半導體在用於能量轉換、開關等時，功率損耗較低。

一些常見的半導體材料

本節簡要介紹了一些最常用的半導體材料：

• 矽 (Si) - 它是製造半導體器件最常用的半導體材料。它之所以如此受歡迎，是因為其成本低、工藝簡單且溫度範圍廣。
• 鍺 (Ge) - 鍺是電子器件中第二常用的半導體材料。如今，由於其熱敏性，其用途不如矽。然而，它正被用於與矽合金化以製造超高速SiGe器件。
• 砷化鎵 (GaAs) - GaAs 也用於製造高速半導體器件。然而，由於其晶片尺寸限制較小，生產 GaAs 器件的成本更高。
• 氮化鎵 (GaN) - GaN 是一種具有高強度和熱導率的半導體材料。因此，它被廣泛用於製造大功率器件，例如功率IC、LED、射頻器件等。
• 碳化矽 (SiC) - SiC 也在某些半導體器件中用作原料半導體材料。它主要用於設計用於在高溫和電離輻射環境中執行的器件。由SiC製造的一些常見器件示例包括功率IC、IMPATT二極體和藍色LED。

什麼是半導體器件？

半導體器件是一種由半導體材料（如矽、鍺、砷化鎵或任何有機半導體材料）製成的電子器件，其工作原理取決於這些材料的電子特性。

半導體器件在固態下傳導電流，而不是像金屬中的自由電子和離子化氣體中的離子那樣。這些器件可以製造為單個分立器件或積體電路，在一個單元中包含多個器件。

半導體器件中的電流傳導主要由稱為自由電子和空穴的移動電荷載流子引起。使用N型半導體制成的半導體器件具有負電荷，即電子作為多數電荷載流子；使用P型半導體制成的器件具有正電荷，即空穴作為多數電荷載流子。

MOSFET（金氧半導體場效應電晶體）是世界上最常用的半導體器件之一。其他半導體器件包括BJT、二極體、SCR、IGBT、UJT等等。

半導體器件的主要型別

如今有數千種半導體器件。這裡簡要介紹了一些主要的半導體器件：

二極體

二極體是一種兩端半導體器件，具有pn結。因此，它也稱為pn結二極體。它是由p型半導體和n型半導體材料連線而成的。在結處，它有一個耗盡區，該耗盡區阻止電荷載流子穿過結。二極體的工作原理如下：

• 當p側端子連線到更高的電位，而n側端子連線到較低的電位時，耗盡區減小，允許電荷移動，從而允許電流透過二極體。這稱為二極體的正向偏置。二極體充當閉合開關。
• 與之相反，當p側相對於n側連線到較低的電位時，耗盡區變寬，限制了電荷穿過結的移動，因此沒有電流流過器件。這種情況稱為二極體的反向偏置。二極體充當開路開關。

雙極結型電晶體 (BJT)

BJT 是一種三端半導體器件，具有兩個pn結。它具有三個半導體區域，即發射極、基極和集電極。

BJT 的工作原理取決於其在電路中的配置，這裡簡要描述如下：

• 當BJT的一個結正向偏置（主要是發射極-基極結），另一個結（基極-集電極）反向偏置時，BJT工作在放大區並充當放大器。
• 當BJT的兩個結都正向偏置時，器件工作在飽和區並充當閉合開關。
• 當BJT的兩個結都反向偏置時，器件工作在截止區並充當開路開關。

因此，BJT 用於兩種用途，即在各種電子裝置中放大和開關訊號。

場效應電晶體 (FET)

FET是另一種電晶體，具有三個端子，即源極 (S)、柵極 (G) 和漏極 (D)。在FET中，透過使用電場來控制透過器件的電流。場效應電晶體廣泛用於計算機IC和儲存晶片。

FET進一步分為兩種型別，即結型場效應電晶體 (JFET) 和金氧半導體場效應電晶體 (MOSFET)。

絕緣柵雙極電晶體 (IGBT)

IGBT是一種三端半導體器件，用於高功率應用中的開關用途。IGBT具有三個端子，即發射極 (E)、柵極 (G) 和集電極 (C)。它由四個交替的半導體層（即NPNP）和MOS（金屬-氧化物半導體）柵極結構組成。它主要用於需要高效率快速開關的應用中，例如在VFD、UPS等中。

可控矽整流器 (SCR)

SCR是一種功率半導體器件，具有三個端子，即陽極、陰極和柵極。它具有四個交替的n型和p型半導體層，結構為PNPN，其中外層P層形成陽極，外層N層形成陰極。內層P層連線到柵極端子。

作為一種功率半導體器件，SCR廣泛應用於高功率和大電壓電路中，例如逆變器、電機控制電路、電源調節器、調光器等。

半導體器件的優點

與機械和電磁器件相比，半導體器件具有多種優勢，其中一些關鍵優勢列在下面：

• 半導體器件尺寸非常緊湊。
• 半導體器件功耗低，因此能源效率更高。
• 半導體器件不涉及任何機械運動；因此，它們具有高速執行的特點。
• 半導體器件的可擴充套件性和大規模生產更容易。
• 由於沒有運動部件，半導體器件更耐用且可靠。
• 半導體器件用途廣泛。例如，電晶體既可以用於放大，也可以用於開關。
• 半導體器件可以製造為複雜的積體電路形式，因此它們節省空間。

半導體器件的缺點

除了優點之外，半導體器件也有一些缺點，如下所示：

• 半導體器件對溫度變化高度敏感，高溫會降低其效能或導致失效。
• 半導體器件在功率處理能力方面耐受性有限。
• 半導體器件的設計和製造初始成本非常高。
• 半導體器件的效能會隨著時間的推移而下降，它們需要在一定時間後更換。
• 半導體器件可能會因靜電放電而永久損壞。
• 半導體器件的製造工藝非常複雜且資源密集。
• 大多數半導體器件不可修復，如果出現故障則必須更換。

半導體器件的應用

半導體器件的應用非常廣泛，從微電子學到電力電子學。下面給出一些突出半導體器件應用的常見示例：

• 像電晶體和二極體這樣的半導體器件被用作數字邏輯閘的構建塊。
• 半導體器件用於設計數位電路，如計數器、暫存器、儲存器件等。
• 半導體器件也用於微處理器和微控制器。
• 半導體器件用於設計類比電路，如放大器、振盪器、整流器等。
• 半導體器件也用於設計混合訊號電路。
• 具有高功率處理能力的半導體器件用於高電流和電壓應用，如開關電源、電機控制、變頻器等。

您將學習哪些半導體器件？

• 半導體器件簡介 − 本章概述了導體、絕緣體和半導體
• 原子組合 − 在本章中，您將學習不同型別的原子鍵合。
• 固體材料中的導電性 − 本章解釋了固體材料中電流傳導背後的理論，並概述了能帶。
• 電導率和遷移率 − 本章簡要解釋了載流子的電導率和遷移率。
• 半導體型別 − 在本章中，您將學習不同型別的半導體及其特性。
• 半導體摻雜 − 本章描述了摻雜的概念及其對半導體電導率的影響。
• 結型二極體 − 本章解釋了PN接面二極體的構造。
• 耗盡區 − 在本節中，您將瞭解PN接面處耗盡區是如何形成的。
• 勢壘電位 − 本章解釋了勢壘電位的概念及其對PN接面電流的影響。
• 結型偏置 − 本節討論了PN接面二極體的正向和反向偏置。
• 漏電流 − 在本章中，您將瞭解結型二極體中的漏電流及其影響因素。
• 二極體特性 − 本章解釋了二極體在正向和反向偏置條件下的IV特性。
• 發光二極體 (LED) − 在本節中，您將學習LED的構造、工作原理、優點和應用。
• 齊納二極體 − 本章描述了齊納二極體的構造、工作原理和特性。
• 光電二極體 − 本章概述了光電二極體及其工作原理。
• 光伏電池 − 在本章中，您將找到關於光伏電池的工作原理和特性的簡要描述。
• 變容二極體 − 本章概述了變容二極體及其工作原理。
• 雙極型電晶體 − 本章描述了NPN和PNP電晶體及其構造。
• 電晶體的構造 − 在本章中，您將學習電晶體構造中使用的不同技術。
• 電晶體偏置 − 本章解釋了電晶體的工作原理和偏置方法。
• 電晶體的配置 − 本節描述了電晶體的三種主要配置及其應用。
• 場效應電晶體 (FET) − 本章概述了場效應電晶體、其構造和特性。
• 結型場效應電晶體 (JFET) 偏置 − 本章旨在解釋結型場效應電晶體 (JFET) 的不同偏置方法。
• MOSFET − 本章概述了D-MOSFET和E-MOSFET的構造和工作原理。
• 運算放大器 − 在本章中，您將學習運算放大器 (Op-Amps) 的構造和工作原理。
• 實際運算放大器 − 本部分解釋了一些實際的運算放大器，例如反相運算放大器、同相運算放大器和反相加法運算放大器。
• 積分器 − 在本章中，您將瞭解一種基於運算放大器的電路——積分器。
• 微分器 − 本章概述了微分器電路及其重要引數。
• 振盪器 − 在本節中，您將找到對不同型別振盪器及其電路的討論。
• 反饋和補償 − 本章解釋了半導體器件中使用的不同反饋機制和偏置補償方法。

誰應該學習半導體器件？

本教程將對所有希望瞭解半導體器件的讀者有所幫助。它也可以作為以下任何人的半導體器件有用資源：

• 想要深入學習半導體器件的人
• 想要在電子領域發展職業生涯的初學者和新手讀者
• 攻讀電氣和電子專業工程課程的學生
• 在電氣、電子、儀表、控制、通訊、生物醫學等領域工作的工程師

學習半導體器件的先決條件

我們不假設需要任何電子學方面的預備知識來理解本教程。內容面向絕對初學者，應該對大多數讀者有用。但是，如果讀者對原子、固態材料、電壓、電流、電阻、電容等有基本瞭解，那麼掌握這裡介紹的概念將更容易。

關於半導體器件的常見問題

在本節中，我們收集了一些與半導體器件相關的最常見問題 (FAQ)，以及它們的答案。

為什麼半導體在電子學中很重要？

半導體在電子領域發揮著重要作用，因為它們允許開發具有低功耗、重量輕、尺寸小巧、開關速度快等特性的器件。

什麼是N型和P型半導體？

N型和P型是外延半導體的型別，定義如下：

• N型半導體是透過用五價雜質（如磷）摻雜矽或鍺獲得的，其主要載流子是自由電子。
• P型半導體是透過用三價雜質（如硼）摻雜矽或鍺獲得的，其主要載流子是空穴。

什麼是MOSFET，為什麼它被廣泛使用？

MOSFET（金氧半導體場效應電晶體）是一種用於電子電路中開關操作的半導體器件。它比其他型別的電晶體更廣泛地使用，因為它具有高功率效率，提供高速開關操作，並且只需要低柵極電流。

什麼是積體電路 (IC)？

積體電路 (IC) 是一種複雜的電子電路，在一個小型半導體晶片上包含多個元件，如電晶體、二極體、電阻器、電容器等。

二極體如何工作？

二極體是一種單向半導體器件，當在其兩端施加正向電壓時，允許電流流過它。在電子電路中，它主要用於整流（將交流電轉換為直流電）和開關電源。

最常見的半導體器件型別有哪些？

以下是一些最常見的半導體器件型別：

• PN接面二極體
• 齊納二極體
• 發光二極體
• 雙極結型電晶體 (BJT)
• 金氧半導體場效應電晶體 (MOSFET)
• 絕緣柵雙極型電晶體 (IGBT) 等。

什麼是光伏電池，它是如何工作的？

光伏電池只不過是一種將光能轉換為電能的半導體二極體。它的工作原理是基於光電效應。

摩爾定律與半導體有什麼關係？

摩爾定律基本上是對歷史趨勢的觀察，而不是物理定律。這條定律說，人們發現單個積體電路上的電晶體數量大約每兩年翻一番。

哪些常用裝置使用半導體？

我們日常生活中使用的一些常用裝置和產品包括智慧手機、電腦和筆記型電腦、智慧電視、智慧手錶、LED燈等。