什么是固态电子器件?

[拼音]：gutai dianzi qijian

[外文]：solid state device

利用固体内部电子运动变化原理制成的具有一定功能的电子器件。在室温下，就导电性能来说，固体可分为绝缘体、半导体和导体三类。绝缘体内部自由电子非常少，电阻率在1022 ～1010欧·厘米范围内。导体内部的自由电子密度不仅很大，而且不受环境温度的影响，电阻率一般在10-4～10-6 欧·厘米范围。半导体内部的自由载流子密度受外界环境的影响很大，电阻率介于绝缘体和导体之间。半导体的电学性能很容易受各种因素的控制。绝大部分的固态电子器件是用半导体材料制成的，因而有时也称为半导体电子器件。

在极低温度下，某些固体的电阻率会突然接近于零，这种材料称为超导体。用超导体制成的固态电子器件简称为超导器件，在探测器、计量标准和高速元件方面有很重要的应用前景。

从固体的导电机构来看，半导体中可移动的带电粒子可以是电子、空穴或离子。电子是带负电荷的粒子，空穴是带正电荷的准粒子，离子可以带负电荷或带正电荷。离子导电的半导体一般简称为离子导体。离子导体在导电过程中伴随着本身成分的化学变化，因而不宜作电子功能器件。

电子导电的半导体称电子型半导体，简称N型半导体。空穴导电的半导体称空穴型半导体，简称P型半导体。如果半导体中同时存在等量的电子和空穴则称为本征半导体。

固体中电子的能量分布一般分成若干个能带。半导体中的外层价电子常处于价带或导带之中，价带和导带之间有一定的间隔称为禁带。价带基本上被价电子所填满，有时也存在少量空额，即上述的空穴。导带中可以有少量自由电子。导带中的电子密度和价带中的空穴密度不仅受外界温度、光照等的影响，而且受半导体材料中微量杂质、晶体缺陷等的影响也很大。锗、硅半导体材料中掺入微量的磷、砷或锑就成为N型半导体;掺入微量的硼、镓或铝，就成为P型半导体。

N型半导体和P型半导体连接在一起就成为一个PN结。PN结是许多半导体电子器件的基本单元结构。PN结具有整流特性，通电流时，一个方向的电阻很小，另一个方向的电阻很大。反向偏置时，PN结还可以和一个电容器等效。正向偏置时，P型半导体中的空穴注入到N型半导体中去，而N型半导体中的电子注入到P型半导体中去，这称为PN结的少子（少数载流子）注入效应。

光照在半导体表面时，可以在半导体内部激发出自由电子、自由空穴或电子空穴对。这是许多半导体光电子器件的最基本的工作机理。

固态电子器件是20世纪40年代发展起来的一类器件，但就其研究工作来说，可追溯到19世纪。1833年，M.法拉第最早发现硫化银的电导率随温度升高而上升，这和一般的金属导体的性质正好相反。1833年，W.史密斯发现在光照下硒的电导率会改变，这是第一次发现半导体的光电导效应。一年以后，K.F.布劳恩发现硫化铅和一个触针接触可以产生整流效应，在早期的无线电实验中用作有效的检波器。1876年，J.C.亚当斯等发现硒的光电池效应。这些都为后来固态电子器件的发展起了先导作用。

对半导体材料的大量实验性研究工作开始于19世纪中叶。虽然当时发现了许多新奇的效应，但实验的数据往往不能重复，这些效应的机理长期得不到确切的解释。这使半导体电子器件在早期未能很快发展。量子力学建立后人们才对半导体的电学性能有了比较深刻的了解。1900年，M.普朗克提出量子的概念，以后经过许多科学家的努力，弄清了电子和光子具有波动和粒子的二重性。1927年，F.J.M.斯特拉特首先指出电子能量在晶体内部的周期性电场下将形成能带。1930年，L.N.布里渊对能带的结构作了进一步分析，使半导体的许多电学、光学和光电性质得到了满意的定性解释，但当时定量的分析还十分困难。第二次世界大战后，由于半导体材料工艺的发展，许多理论和实验的定量分析才得到比较满意的结果。

30年代末，固体的能带理论已比较成熟。当时英国的莫特，苏联的达维多夫和德国的W.H.肖特基几乎同时发展了金属和半导体接触的整流理论。这时，许多科学家想进一步在固态整流器的基础上探索一种固态放大器。1935年，O.海尔建议用一个控制电极来控制一层半导体薄膜中的电流，从而构成一个固态放大器。1939年，W.B.肖克莱根据肖特基结中空间电荷区的宽度随反向电压改变的概念，肯定认为可以利用这个效应来制造一个固态放大器。他们曾用氧化亚铜作为材料，但未成功。第二次世界大战后，肖克莱等人决定改用锗和硅单元素半导体材料作为研究对象，继续探索制作固态放大器的可能性。这个选择研究对象的改变，在发展固态电子器件的历史上有着重要的意义。第二次世界大战前，固态电子器件发展迟缓的一个重要原因是研究对象分散，而且是许多复杂的化合物半导体。化合物半导体材料制备水平不容易提高，实验数据难以控制，进展也必然缓慢。1947年年底，W.H.布喇顿和J.巴丁在肖克莱的建议下，在研究控制表面态上的束缚电荷的过程中，终于发明了第一个固态放大器──点接触晶体管。这在固态电子器件的发展过程中，是一个划时代的事件。1948年贝尔实验室正式宣布此事。不久，G.K.蒂尔在拉制锗单晶的过程中制成了比点接触晶体管性能稳定得多的第一个结型晶体管。50年代中期，随着各种新工艺的发展，各种类型的晶体管，如合金结晶体管、表面势垒晶体管、合金扩散晶体管、双扩散晶体管、台面晶体管等相继问世。1960年前后，仙童公司的J.A.霍尔尼研究成功一种硅平面型晶体管工艺，简称平面工艺。制成的硅平面晶体管性能稳定，可靠性高，成为以后硅晶体管主要发展方向。平面工艺的发展促进了集成电路的发展。

在晶体管发展的同时，1954年G.L.皮尔逊发明了硅太阳电池；1957年，江崎玲於奈发明隧道二极管；1963年，J.B.耿发明耿氏二极管；1965年，R.L.约翰斯顿发明了碰撞雪崩渡越时间二极管。此外，在光电器件方面，1962年出现了砷化镓(GaAs)激光器，以后又发展成双异质结激光器，为光电子学开辟了新的领域。1962年，第一次成功地在硅表面上用SiO2作绝缘层制成了金属-氧化物-半导体结构的绝缘栅场效应晶体管，简称MOS晶体管，为发展大规模集成电路提供了技术基础。

从器件结构来看，固态电子器件大致可分为二端器件和三端器件两大类。绝大部分的二端器件（有时称二极管）的基本结构是一个PN结，但用途则很不相同。耿氏二极管和光导二极管（光敏电阻）都是由整块半导体材料制成的，并没有PN结。肖特基二极管有一个金属和半导体接触的肖特基结，其电流-电压特性与PN结类似。PNPN闸流管有三个相串联的PN结，由于PN结的少数载流子注入效应使其具有闸流管性质。表中列出了主要几种二端器件（包括二极管）的特性和用途。

三端器件一般是有源器件，典型的代表是各种晶体三极管（又称晶体管）。晶体管又可分为双极型晶体管和场效应晶体管两大类。双极型晶体管是由两个串联在一起的PN结构成，其中一个PN结称为发射结，另一个称为集电结。两个结之间的一个薄层称为基区。在应用时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。通过发射结的电流使大量的少数载流子注入到基区，靠扩散迁移到集电结而形成集电极电流，只有极少量的少数载流子在基区内复合而形成基极电流。在共发射极电路中，基极电流的微小变化可以控制集电极电流的较大变化，这就是双极型晶体管的电流放大效应。在双极型晶体管的工作过程中，基区中的多数载流子和少数载流子（电子或空穴）同时参与信息传输过程，故称为双极型。

场效应晶体管是靠垂直电场改变一薄层半导体的电阻来获得放大信号的功能。半导体薄层的两端各接一个电极称为源和漏。控制垂直电场的电极称栅。场效应晶体管在工作过程中只有一个极性的多数载流子参加导电，因而称为单极型。场效应晶体管中施加垂直电场的方式可以有三种：

（1）通过反向偏置的PN结，称为结型场效应晶体管；

（2）通过反向偏置的肖特基结，称为MES场效应管；

（3）通过绝缘栅，称为MOS晶体管。结性场效应晶体管一般用于较低频率范围。MES 场效应管宜用砷化镓材料，而MOS晶体管在硅大规模集成电路中用得最为普遍。

晶体管根据使用范围的不同，可分为功率晶体管、微波晶体管和低噪声晶体管等。

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，如光晶体三极管、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（光、磁、气等）的信息转换为电信号，又有一般晶体管的放大作用，能把信号放大，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（可控闸流管）用于各种大电流的控制电路；电荷耦合器件可用作摄像器件或信号存储器件等。利用半导体的其他特性制成的器件还有热敏电阻器、压敏元件、霍尔器件、温差致冷元件和表面波器件等。

固态电子器件的理论基础是固体物理，技术基础是材料科学。30年代固体电子论的进展和40～50年代锗、硅材料工艺的进展，奠定了后半个世纪固态电子器件飞速发展的基础。Ⅲ、Ⅴ族化合物半导体材料，尤其是砷化镓材料工艺日趋成熟，新的固态电子器件随着材料质量的提高和对材料物理的深入研究而不断出现。在微波晶体管方面，从已有的MES场效应晶体管发展到调制掺杂高迁移率晶体管，使电路的开关延迟缩短，频率响应又有很大提高。此外，用异质结制做晶体管时，由于异质发射结的注入效率高，基区电阻小，可使频率响应提高很多，也有很大前途。当器件尺寸不断缩小时，热载流子可以不受碰撞飞过有源区，因而将出现利用d道效应的高速、高频晶体管。InP 材料的电子负微分迁移率效应比砷化镓更为显著，阈值电场更低，因此用InP将做出性能更好的电子转移器件。另外，利用分子束外延等新技术可以制备超晶格材料、空间调制掺杂材料、各种理想的异质结等新结构的材料。