半导体FA的相关知识

半导体

什么是半导体呢？

顾名思义：导电性能介于导体与绝缘体(insulator)之间的材料，叫做半导体（semiconductor）．

物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性和导电导热性差或不好的材料，如金刚石、人工晶体、琥珀、陶瓷等等，称为绝缘体。而把导电、导热都比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。可以简单的把介于导体和绝缘体之间的材料称为半导体。与金属和绝缘体相比，半导体材料的发现是最晚的，直到20世纪30年代，当材料的提纯技术改进以后，半导体的存在才真正被学术界认可。

半导体的发现实际上可以追溯到很久以前，

1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。不久，

1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特征。

在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。

1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特有的性质。

半导体的这四个效应，(jianxia霍尔效应的余绩——四个伴生效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。很多人会疑问，为什么半导体被认可需要这么多年呢？主要原因是当时的材料不纯。没有好的材料，很多与材料相关的问题就难以说清楚。

半导体于室温时电导率约在10ˉ10～10000/Ω·cm之间，纯净的半导体温度升高时电导率按指数上升。半导体材料有很多种，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的有机物半导体等。

本征半导体(intrinsic semiconductor) 没有掺杂且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。在绝对零度温度下，半导体的价带(valence band)是满带(见能带理论)，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带(forbidden band/band gap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带(conduction band)，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴(hole)，导带中的电子和价带中的空穴合称为电子 - 空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子(free carrier)，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，使电子-空穴对消失，称为复合(recombination)。复合时产生的能量以电磁辐射（发射光子photon）或晶格热振动（发射声子phonon）的形式释放。在一定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时本征半导体具有一定的载流子浓度，从而具有一定的电导率。加热或光照会使半导体发生热激发或光激发，从而产生更多的电子 - 空穴对，这时载流子浓度增加，电导率增加。半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。常温下本征半导体的电导率较小，载流子浓度对温度变化敏感，所以很难对半导体特性进行控制，因此实际应用不多。

杂质半导体(extrinsic semiconductor) 半导体中的杂质对电导率的影响非常大，本征半导体经过掺杂就形成杂质半导体，一般可分为n型半导体和p型半导体。半导体中掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生附加的杂质能级。能提供电子载流子的杂质称为施主(donor)杂质，相应能级称为施主能级,位于禁带上方靠近导带底附近。例如四价元素锗或硅晶体中掺入五价元素磷、砷、锑等杂质原子时，杂质原子作为晶格的一分子，其五个价电子中有四个与周围的锗（或硅）原子形成共价键，多余的一个电子被束缚于杂质原子附近，产生类氢浅能级-施主能级。施主能级上的电子跃迁到导带所需能量比从价带激发到导带所需能量小得多，很易激发到导带成为电子载流子，因此对于掺入施主杂质的半导体，导电载流子主要是被激发到导带中的电子，属电子导电型，称为n型半导体。由于半导体中总是存在本征激发的电子空穴对，所以在n型半导体中电子是多数载流子，空穴是少数载流子。相应地，能提供空穴载流子的杂质称为受主(acceptor)杂质，相应能级称为受主能级，位于禁带下方靠近价带顶附近。例如在锗或硅晶体中掺入微量三价元素硼、铝、镓等杂质原子时，杂质原子与周围四个锗（或硅）原子形成共价结合时尚缺少一个电子，因而存在一个空位，与此空位相应的能量状态就是受主能级。由于受主能级靠近价带顶，价带中的电子很容易激发到受主能级上填补这个空位，使受主杂质原子成为负电中心。同时价带中由于电离出一个电子而留下一个空位，形成自由的空穴载流子，这一过程所需电离能比本征半导体情形下产生电子空穴对要小得多。因此这时空穴是多数载流子，杂质半导体主要靠空穴导电，即空穴导电型，称为p型半导体。在p型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。在半导体器件的各种效应中，少数载流子常扮演重要角色。

半导体分立器件自从20世纪50年代问世以来，曾为电子产品的发展发挥了重要的作用。现在，虽然集成电路已经广泛应用，并在不少场合取代了晶体管，但是应该相信，晶体管到任何时候都不会被全部废弃。因为晶体管有其自身的特点，还会在电子产品中发挥其他元器件所不能取代的作用，所以晶体管不仅不会被淘汰，而且还将有所发展。

1　半导体分立器件的命名

按照国家规定，国内半导体分立器件的命名由五部分组成，如表3-9所示。例如2AP9，“2”表示二极管，“A”表示N型锗材料，“P”表示普通管，“9”表示序号。又如3DG6，“3”表示三极管，“D”表示NPN硅材料，“G”表示高频小功率管，“6”是序号。

有些小功率晶体三极管是以四位数字来表示型号的，具体特性参数如表3-10所示。

近年来，国内生产半导体器件的各厂家纷纷引进外国的先进生产技术，购入原材料、生产工艺及全套工艺标准，或者直接购入器件管芯进行封装。因此，市场上多见的是按照国外产品型号命名的半导体器件，符合国家标准命名的器件反而买不到。在选用进口半导体器件时，应该仔细查阅有关资料，比较性能指标。

2　二极管

按照结构工艺不同，半导体二极管可以分为点接触型和面接触型。点接触型二极管PN结的接触面积小，结电容小，适用于高频电路，但允许通过的电流和承受的反向电压也比较小，所以适合在检波、变频等电路中工作；面接触型二极管PN结的接触面积较大，结电容比较大，不适合在高频电路中使用，但它可以通过较大的电流，多用于频率较低的整流电路。

表3-9　国产半导体分立器件的命名

注：fa为工作频率，Pc为工作功率。

表3-10　通用型小功率三极管

注：fT为工作频率。

半导体二极管可以用锗材料或硅材料制造。锗二极管的正向电阻很小，正向导通电压约为0.15～0.35V，但反向漏电流大，温度稳定性较差；硅二极管的反向漏电流比锗二极管小得多，缺点是需要较高的正向电压（0.5～0.7V）才能导通，只适用于信号较强的电路。

二极管应该按照极性接入电路，大部分情况下，应该使二极管的正极（或称阳极）接电路的高电位端，而稳压管的负极（或称阴极）要接电源的正极，其正极接电源的负极。

1）常用二极管的外形和符号

常用二极管的外形和符号如图3-16所示。

图3-16　常用二极管的符号

2）常用二极管的特性

常用的二极管的特性及用途在表3-11中列出。

表3-11　常用的二极管的特性及用途

3）二极管的识别与检测

二极管有多种封装形式，目前比较常用的有塑料封装和玻璃壳封装。老式的大功率、大电流的整流二极管仍采用金属封装，并且有装散热片的螺栓。玻璃封装的二极管可能是普通二极管或稳压二极管，在目测没有把握辨别的情况下，要依靠万用表或者专用设备来区分。因为玻璃封装的稳压二极管和普通二极管外形一样，不同的二极管在电路中起的作用是不同的，特别是稳压二极管，它的最大特点就是工作在反向连接状态。

（1）从标记识别。

①外壳上有二极管的符号，箭头的方向就是电流流动的方向，故箭头指的方向为负极。如图3-17所示，为二极管的单向导电性。

②封装成圆球形的，一般用色点表示的，色点处为阴极。封装成柱状的，靠近色环（通常为白色）的引线为负极。

（2）数字万用表检测。

用数字式万用表可以很方便地判断出二极管的极性，如图3-18所示，方法是：将数字万用表拨到二极管挡，将红表笔插入万用表的V/?插孔，黑表笔插入COM插孔，然后分别用两表笔接触二极管的两个电极，正反向交换表笔各测一次，在其中的一次测量中显示屏上具有600～750之间（硅管）或200～400之间（锗管）的读数，这时红表笔所接触的电极就是二极管的正极（即PN结的P端），黑表笔接触的电极就是负极（即PN结的N端）。

图3-17　二极管的单向导电性

图3-18　二极管的测量

发光二极管的测量与一般二极管测量类似，只是其正向电压在1.5～3V之间，工作电流在1mA左右。发光二极管工作时一定要接上限流电阻。

3　三极管

晶体三极管又称为双极型三极管（因有两种载流子同时参与导电而得名）。它是一种电流控制电流的半导体器件，可用来对微弱的信号进行放大和做无触点开关。

1）三极管的分类

（1）按材料分：三极管按材料不同可分为锗三极管（Ge管）和硅三极管（Si管）。

（2）按导电类型分：三极管按导电类型不同可分为PNP型和NPN型，分别用不同的符号表示电压极性与电流流动方向。锗管多为PNP型，硅管多为NPN型。

（3）按用途分：依工作频率不同分为高频（fT>3MHz）、低频（fT<3MHz）和开关三极管。依工作功率不同又可分为大功率（Pc>1W）、中功率（Pc在0.5～1W）、小功率（Pc<0.5W）三极管。

2）三极管的电路符号

常用三极管的电路符号如图3-19所示。

图3-19　常用三极管的电路符号

3）三极管的检测方法

（1）判断基极用数字万用表判断三极管基极的方法是：首先将数字万用表的转换开关置于二极管挡。红、黑表笔按正确的方法插到相应插孔（红表笔插V/Ω，黑表笔插COM）。记住：数字万用表的红表笔接内部电池的正极。然后用表笔分别触三极管的三个电极，总能找到其中一个电极对另外两个电极读数为0.5～0.8V（硅管）或0.15～0.35V（锗管），该电极就是基极。

（2）E、C极的判断。

一般万用表都具备测放大倍数的功能，先将万用表的功能开关选在hFE挡，将三极管按极性（PNP、NPN）插入测试孔中，这时可从表头刻度盘上直接读放大倍数值。然后将E极、C极对调一下，看表针偏转较大的那一次，插脚就是正确的，从万用表插孔旁标记即可判别出是发射极还是集电极。另外在测量基极时，也可以得到D、E的读数大于B、C的读数，虽然很接近，但总是有微小差别的。

数字式万用表测量三极管的方法，在第五节常用仪器仪表简介中“万用表的使用”一部分进行介绍。

4　集成电路

集成电路是继电子管、晶体管之后发展起来的又一类电子器件。它是利用半导体工艺或厚膜、薄膜工艺（或这些工艺的结合），将电阻、电容、二极管、三极管等元器件，按照设计电路的要求，共同制作在一块硅或绝缘基体上，成为具有特定功能的电路，然后封装而成。集成电路是最能体现电子工业日新月异、飞速发展的一类电子器件。集成电路种类繁多，要想熟悉各种集成电路几乎是不可能的，实际上也没必要，但要了解一些基本的集成电路。

1）集成电路的分类

集成电路按其结构和工艺方法的不同，可分为半导体集成电路、薄膜集成电路、厚膜集成电路和混合集成电路。其中发展最快、品种最多、应用最广的是半导体集成电路。

用平面工艺（氧化、光刻、扩散、外延工艺）在半导体晶片上制成的电路称为半导体集成电路（也称为单片集成电路）。

用厚膜工艺（真空蒸发、溅射）或薄膜工艺（丝网印刷、烧结）将电阻、电容等无源元件连接制作在同一片绝缘衬底上，再焊接上晶体管管芯，使其具有特定的功能，称作厚膜或薄膜集成电路。如果再装上单片集成电路，则成为混合集成电路。

2）集成电路的封装

集成电路的封装可分为：金属外壳、陶瓷外壳和塑料外壳三类。其中较常见的是用陶瓷和塑料封装的单列直插式和双列直插式两种。

金属封装的散热性能好，可靠性高，但安装使用不够方便，成本较高。这种封装形式常见于高精度集成电路或大功率器件。陶瓷封装的散热性差，体积小，成本低。塑料封装的最大特点是工艺简单、成本低，因而被广泛使用。

随着集成电路品种规格的增加和集成度的提高，电路的封装已经成为一个专业性很强的工艺技术领域。现在，国内外的集成电路封装名称逐渐趋于一致，不论是陶瓷材料的还是塑料材料的，均按照集成电路的引脚布置形式来区分，常见集成电路的封装形式如图3-20所示。

3）引脚

集成电路引脚排列顺序的标志一般有色点、凹槽、管键及封装时压出的圆形标志。对于双列直插集成块，引脚的识别方法是：将集成电路水平放置，引脚向下，标志在左边，左下角第一个引脚为1脚，然后逆时针方向数，依次为2，3，…，如图3-20所示。

图3-20　常见集成电路的封装

对于单列直插式集成电路也让引出脚朝下，标志朝左边，从左下角第一个引出脚到最后一个引出脚依次为1，2，3，…。

4）集成电路的使用常识

集成电路是一种结构复杂、功能多、体积小、价格贵、安装与拆卸麻烦的电气器件，在选购、检测和使用中应十分小心。

（1）使用前要搞清楚集成电路的功能、引脚功能、外形封装等。

（2）安装集成电路要注意方向，不同型号之间的互换应更加注意。

（3）对功率型集成电路要有足够的散热器，并尽量远离热源。

（4）切忌带电拔插集成电路。

（5）在手工焊接电子产品时，一般应该最后装配焊接集成电路，不得使用大于45W的电烙铁，每次焊接时间不得超过10s。

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