半導(dǎo)體器件圖書信息

書 名: 半導(dǎo)體 器件

作 者:布倫南高建軍劉新宇

出版社:機(jī)械工業(yè)出版社

出版時(shí)間: 2010年05月

ISBN: 9787111298366

定價(jià): 36元

今年是摩爾法則(Moore'slaw)問世50周年，這一法則的誕生是半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。

這50年里，摩爾法則成為了信息技術(shù)發(fā)展的指路明燈。計(jì)算機(jī)從神秘不可近的龐然大物變成多數(shù)人都不可或缺的工具，信息技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入無數(shù)個(gè)普通家庭，因特網(wǎng)將全世界聯(lián)系起來，多媒體視聽設(shè)備豐富著每個(gè)人的生活。這一法則決定了信息技術(shù)的變化在加速，產(chǎn)品的變化也越來越快。人們已看到，技術(shù)與產(chǎn)品的創(chuàng)新大致按照它的節(jié)奏，超前者多數(shù)成為先鋒，而落后者容易被淘汰。

這一切背后的動(dòng)力都是半導(dǎo)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，那么不僅個(gè)人電腦和移動(dòng)通信不會(huì)出現(xiàn)，連基因組研究、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造等新科技更不可能問世。有關(guān)專家指出,摩爾法則已不僅僅是針對(duì)芯片技術(shù)的法則;不久的將來，它有可能擴(kuò)展到無線技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、傳感器技術(shù)等領(lǐng)域，成為人們?cè)谖粗I(lǐng)域探索和創(chuàng)新的指導(dǎo)思想。

毫無疑問，摩爾法則對(duì)整個(gè)世界意義深遠(yuǎn)。不過，隨著晶體管電路逐漸接近性能極限，這一法則將會(huì)走到盡頭。摩爾法則何時(shí)失效?專家們對(duì)此眾說紛紜。早在1995年在芝加哥舉行信息技術(shù)國(guó)際研討會(huì)上，美國(guó)科學(xué)家和工程師杰克·基爾比表示，5納米處理器的出現(xiàn)或?qū)⒔K結(jié)摩爾法則。中國(guó)科學(xué)家和未來學(xué)家周海中在此次研討會(huì)上預(yù)言，由于納米技術(shù)的快速發(fā)展，30年后摩爾法則很可能就會(huì)失效。2012年，日裔美籍理論物理學(xué)家加來道雄在接受智囊網(wǎng)站采訪時(shí)稱，"在10年左右的時(shí)間內(nèi)，我們將看到摩爾法則崩潰。"前不久，摩爾本人認(rèn)為這一法則到2020年的時(shí)候就會(huì)黯然失色。一些專家指出，即使摩爾法則壽終正寢，信息技術(shù)前進(jìn)的步伐也不會(huì)變慢。

光電探測(cè)器的功能是把微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后經(jīng)過放大器將電信號(hào)放大，從而達(dá)到檢測(cè)光信號(hào)的目的。光敏電阻是最早發(fā)展的一種光電探測(cè)器。它利用了半導(dǎo)體受光照后電阻變小的效應(yīng)。此外，光電二極管、光電池都可以用作光電探測(cè)元件。十分微弱的光信號(hào)，可以用雪崩光電二極管來探測(cè)。它是把一個(gè)PN結(jié)偏置在接近雪崩的偏壓下，微弱光信號(hào)所激發(fā)的少量載流子通過接近雪崩的強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，由于碰撞電離而數(shù)量倍增，因而得到一個(gè)較大的電信號(hào)。除了光電探測(cè)器外，還有與它類似的用半導(dǎo)體制成的粒子探測(cè)器。

半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)是一個(gè)PN結(jié)，它正向通電流時(shí)，注入的少數(shù)載流子靠復(fù)合而發(fā)光。它可以發(fā)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(dǎo)體發(fā)光管的發(fā)光區(qū)處在一個(gè)光學(xué)諧振腔內(nèi)，則可以得到激光輸出。這種器件稱為半導(dǎo)體激光器或注入式激光器。最早的半導(dǎo)體激光器所用的PN結(jié)是同質(zhì)結(jié)，以后采用雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。雙異質(zhì)結(jié)激光器的優(yōu)點(diǎn)在于它可以使注入的少數(shù)載流子被限制在很薄的一層有源區(qū)內(nèi)復(fù)合發(fā)光，同時(shí)由雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)組成的光導(dǎo)管又可以使產(chǎn)生的光子也被限制在這層有源區(qū)內(nèi)。因此雙異質(zhì)結(jié)激光器有較低的閾值電流密度，可以在室溫下連續(xù)工作。

當(dāng)光線投射到一個(gè)PN結(jié)上時(shí)，由光激發(fā)的電子空穴對(duì)受到PN結(jié)附近的內(nèi)在電場(chǎng)的作用而向相反方向分離，因此在PN結(jié)兩端產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，這就成為一個(gè)光電池。把日光轉(zhuǎn)換成電能的日光電池很受人們重視。最先應(yīng)用的日光電池都是用硅單晶制造的，成本太高，不能大量推廣使用。國(guó)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(dǎo)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。

把晶體二極管、三極管以及電阻電容都制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(shù)小于 100個(gè)的稱為小規(guī)模集成電路，從 100個(gè)元件到1000 個(gè)元件的稱為中規(guī)模集成電路，從1000 個(gè)元件到100000 個(gè)元件的稱為大規(guī)模集成電路，100000 個(gè)元件以上的稱為超大規(guī)模集成電路。集成電路是當(dāng)前發(fā)展計(jì)算機(jī)所必需的基礎(chǔ)電子器件。許多工業(yè)先進(jìn)國(guó)家都十分重視集成電路工業(yè)的發(fā)展。集成電路的集成度以每年增加一倍的速度在增長(zhǎng)。每個(gè)芯片上集成256千位的MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器已研制成功，正在向1兆位 MOS隨機(jī)存儲(chǔ)器探索。

中國(guó)半導(dǎo)體器件型號(hào)命名方法

半導(dǎo)體器件型號(hào)由五部分(場(chǎng)效應(yīng)器件、半導(dǎo)體特殊器件、復(fù)合管、PIN型管、激光器件的型號(hào)命名只有第三、四、五部分)組成。五個(gè)部分意義如下:

第一部分:用數(shù)字表示半導(dǎo)體器件有效電極數(shù)目。2-二極管、3-三極管

第二部分:用漢語拼音字母表示半導(dǎo)體器件的材料和極性。表示二極管時(shí):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(shí):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(dǎo)體器件的類型。P-普通管、V-微波管、W-穩(wěn)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(guān)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(dǎo)體晶閘管(可控整流器)、Y-體效應(yīng)器件、B-雪崩管、J-階躍恢復(fù)管、CS-場(chǎng)效應(yīng)管、BT-半導(dǎo)體特殊器件、FH-復(fù)合管、PIN-PIN型管、JG-激光器件。

第四部分:用數(shù)字表示序號(hào)

第五部分:用漢語拼音字母表示規(guī)格號(hào)

例如:3DG18表示NPN型硅材料高頻三極管

日本半導(dǎo)體分立器件型號(hào)命名方法

日本生產(chǎn)的半導(dǎo)體分立器件，由五至七部分組成。通常只用到前五個(gè)部分，其各部分的符號(hào)意義如下:

第一部分:用數(shù)字表示器件有效電極數(shù)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(gè)pn結(jié)的其他器件、3-具有四個(gè)有效電極或具有三個(gè)pn結(jié)的其他器件、┄┄依此類推。

第二部分:日本電子工業(yè)協(xié)會(huì)JEIA注冊(cè)標(biāo)志。S-表示已在日本電子工業(yè)協(xié)會(huì)JEIA注冊(cè)登記的半導(dǎo)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(jié)晶體管、J-P溝道場(chǎng)效應(yīng)管、K-N 溝道場(chǎng)效應(yīng)管、M-雙向可控硅。

第四部分:用數(shù)字表示在日本電子工業(yè)協(xié)會(huì)JEIA登記的順序號(hào)。兩位以上的整數(shù)-從"11"開始，表示在日本電子工業(yè)協(xié)會(huì)JEIA登記的順序號(hào);不同公司的性能相同的器件可以使用同一順序號(hào);數(shù)字越大，越是產(chǎn)品。

第五部分: 用字母表示同一型號(hào)的改進(jìn)型產(chǎn)品標(biāo)志。A、B、C、D、E、F表示這一器件是原型號(hào)產(chǎn)品的改進(jìn)產(chǎn)品。

美國(guó)半導(dǎo)體分立器件型號(hào)命名方法

美國(guó)晶體管或其他半導(dǎo)體器件的命名法較混亂。美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)半導(dǎo)體分立器件命名方法如下:

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

第二部分:用數(shù)字表示pn結(jié)數(shù)目。1-二極管、2=三極管、3-三個(gè)pn結(jié)器件、n-n個(gè)pn結(jié)器件。

第三部分:美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)注冊(cè)標(biāo)志。N-該器件已在美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)注冊(cè)登記。

第四部分:美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)登記順序號(hào)。多位數(shù)字-該器件在美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)登記的順序號(hào)。

第五部分:用字母表示器件分檔。A、B、C、D、┄┄-同一型號(hào)器件的不同檔別。如:JAN2N3251A表示PNP硅高頻小功率開關(guān)三極管，JAN-軍級(jí)、2-三極管、N-EIA 注冊(cè)標(biāo)志、3251-EIA登記順序號(hào)、A-2N3251A檔。

國(guó)際電子聯(lián)合會(huì)半導(dǎo)體器件型號(hào)命名方法

德國(guó)、法國(guó)、意大利、荷蘭、比利時(shí)等歐洲國(guó)家以及匈牙利、羅馬尼亞、南斯拉夫、波蘭等東歐國(guó)家，大都采用國(guó)際電子聯(lián)合會(huì)半導(dǎo)體分立器件型號(hào)命名方法。這種命名方法由四個(gè)基本部分組成，各部分的符號(hào)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-器件使用復(fù)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征。A-檢波開關(guān)混頻二極管、B-變?nèi)荻O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-復(fù)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(fā)光器件、R-小功率晶閘管、S-小功率開關(guān)管、T-大功率晶閘管、U-大功率開關(guān)管、X-倍增二極管、Y-整流二極管、Z-穩(wěn)壓二極管。

第三部分:用數(shù)字或字母加數(shù)字表示登記號(hào)。三位數(shù)字-代表通用半導(dǎo)體器件的登記序號(hào)、一個(gè)字母加二位數(shù)字-表示專用半導(dǎo)體器件的登記序號(hào)。

第四部分:用字母對(duì)同一類型號(hào)器件進(jìn)行分檔。A、B、C、D、E┄┄-表示同一型號(hào)的器件按某一參數(shù)進(jìn)行分檔的標(biāo)志。

除四個(gè)基本部分外，有時(shí)還加后綴，以區(qū)別特性或進(jìn)一步分類。常見后綴如下:

1、穩(wěn)壓二極管型號(hào)的后綴。其后綴的第一部分是一個(gè)字母，表示穩(wěn)定電壓值的容許誤差范圍，字母A、B、C、D、E分別表示容許誤差為±1%、±2%、±5%、±10%、±15%;其后綴第二部分是數(shù)字，表示標(biāo)稱穩(wěn)定電壓的整數(shù)數(shù)值;后綴的第三部分是字母V，代表小數(shù)點(diǎn)，字母V之后的數(shù)字為穩(wěn)壓管標(biāo)稱穩(wěn)定電壓的小數(shù)值。

2、整流二極管后綴是數(shù)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(hào)的后綴也是數(shù)字，通常標(biāo)出最大反向峰值耐壓值和最大反向關(guān)斷電壓中數(shù)值較小的那個(gè)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。

晶體二極管的基本結(jié)構(gòu)是由一塊 P型半導(dǎo)體和一塊N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成一個(gè) PN結(jié)。在PN結(jié)的交界面處，由于P型半導(dǎo)體中的空穴和N型半導(dǎo)體中的電子要相互向?qū)Ψ綌U(kuò)散而形成一個(gè)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(xù)擴(kuò)散而使PN結(jié)達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)PN結(jié)的P端(P型半導(dǎo)體那邊)接電源的正極而另一端接負(fù)極時(shí)，空穴和電子都向偶極層流動(dòng)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(dòng)而使偶極層變厚，同時(shí)電流被限制在一個(gè)很小的飽和值內(nèi)(稱反向飽和電流)。因此，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴４送猓琍N結(jié)的偶極層還起一個(gè)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(nèi)部電場(chǎng)很強(qiáng)。當(dāng)外加反向電壓達(dá)到一定閾值時(shí)，偶極層內(nèi)部會(huì)發(fā)生雪崩擊穿而使電流突然增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。利用PN結(jié)的這些特性在各種應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)制成的二極管有:整流二極管、檢波二極管、變頻二極管、變?nèi)荻O管、開關(guān)二極管、穩(wěn)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(shí)間二極管)等。此外，還有利用PN結(jié)特殊效應(yīng)的隧道二極管，以及沒有PN結(jié)的肖脫基二極管和耿氏二極管等。

它是由兩個(gè)PN結(jié)構(gòu)成，其中一個(gè)PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，另一個(gè)稱為集電結(jié)。兩個(gè)結(jié)之間的一薄層半導(dǎo)體材料稱為基區(qū)。接在發(fā)射結(jié)一端和集電結(jié)一端的兩個(gè)電極分別稱為發(fā)射極和集電極。接在基區(qū)上的電極稱為基極。在應(yīng)用時(shí)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電極處于反向偏置。通過發(fā)射結(jié)的電流使大量的少數(shù)載流子注入到基區(qū)里，這些少數(shù)載流子靠擴(kuò)散遷移到集電結(jié)而形成集電極電流，只有極少量的少數(shù)載流子在基區(qū)內(nèi)復(fù)合而形成基極電流。集電極電流與基極電流之比稱為共發(fā)射極電流放大系數(shù)?。在共發(fā)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(yīng)。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(dǎo)體受橫向電場(chǎng)影響而改變其電阻(簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng))，使具有放大信號(hào)的功能。這薄層半導(dǎo)體的兩端接兩個(gè)電極稱為源和漏?？刂茩M向電場(chǎng)的電極稱為柵。

根據(jù)柵的結(jié)構(gòu),場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以分為三種:

①結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(用PN結(jié)構(gòu)成柵極);

②MOS場(chǎng)效應(yīng)管(用金屬-氧化物-半導(dǎo)體構(gòu)成柵極,見金屬-絕緣體-半導(dǎo)體系統(tǒng));

③MES場(chǎng)效應(yīng)管(用金屬與半導(dǎo)體接觸構(gòu)成柵極);其中MOS場(chǎng)效應(yīng)管使用最廣泛。尤其在大規(guī)模集成電路的發(fā)展中,MOS大規(guī)模集成電路具有特殊的優(yōu)越性。MES場(chǎng)效應(yīng)管一般用在GaAs微波晶體管上。

在MOS器件的基礎(chǔ)上,又發(fā)展出一種電荷耦合器件 (CCD)，它是以半導(dǎo)體表面附近存儲(chǔ)的電荷作為信息，控制表面附近的勢(shì)阱使電荷在表面附近向某一方向轉(zhuǎn)移。這種器件通?？梢杂米餮舆t線和存儲(chǔ)器等;配上光電二極管列陣，可用作攝像管。

半導(dǎo)體器件(semiconductor device)通常，利用不同的半導(dǎo)體材料、采用不同的工藝和幾何結(jié)構(gòu)，已研制出種類繁多、功能用途各異的多種晶體二極，晶體二極管的頻率覆蓋范圍可從低頻、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(chǎng)效應(yīng)晶體管兩 類。根據(jù)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、振蕩、開關(guān)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(chǎng)效應(yīng)傳感器等。這些器件既能把一些 環(huán)境因素的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，又有一般晶體管的放大作用得到較大的輸出信號(hào)。此外，還有一些特殊器件，如單結(jié)晶體管可用于產(chǎn)生鋸齒波，可控硅可用于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(chǔ)器件等。在通信和雷達(dá)等軍事裝備中，主要靠高靈敏度、低噪聲的半導(dǎo)體接收器件接收微弱信號(hào)。隨著微波 通信技術(shù)的迅速發(fā)展，微波半導(dǎo)件低噪聲器件發(fā)展很快，工作頻率不斷提高，而噪聲系數(shù)不斷下降。微波半導(dǎo)體 器件由于性能優(yōu)異、體積小、重量輕和功耗低等特性，在防空反導(dǎo)、電子戰(zhàn)、C(U3)I等系統(tǒng)中已得到廣泛的應(yīng)用 。

《半導(dǎo)體器件:計(jì)算和電信中的應(yīng)用》從半導(dǎo)體基礎(chǔ)開始，介紹了電信和計(jì)算產(chǎn)業(yè)中半導(dǎo)體器件的發(fā)展現(xiàn)狀，在器件方面為電子工程提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。內(nèi)容涵蓋未來計(jì)算硬件和射頻功率放大器的實(shí)現(xiàn)方法，闡述了計(jì)算和電信的發(fā)展趨勢(shì)和系統(tǒng)要求對(duì)半導(dǎo)體器件的選擇、設(shè)計(jì)及工作特性的影響。

《半導(dǎo)體器件:計(jì)算和電信中的應(yīng)用》首先討論了半導(dǎo)體的基本特性;接著介紹了基本的場(chǎng)效應(yīng)器件MODFET和M0SFET，以及器件尺寸不斷縮小所帶來的短溝道效應(yīng)和面臨的挑戰(zhàn);最后討論了光波和無線電信系統(tǒng)中半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、特性及其工作條件。

Kevin F Brennan曾獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的青年科學(xué)家獎(jiǎng)。2002年被佐治亞理工大學(xué)ECE學(xué)院任命為杰出教授，同年還獲得特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng)，以表彰他對(duì)研究生教育所作出的貢獻(xiàn)。2003年，他獲得佐治亞理工大學(xué)教職會(huì)員最高榮譽(yù)--杰出教授獎(jiǎng)。他還是IEEE電子器件學(xué)會(huì)杰出講師。

譯者序

前言

第1章 半導(dǎo)體基礎(chǔ)

1.1 半導(dǎo)體的定義

1.2 平衡載流子濃度與本征材料

1.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體材料

思考題

第2章 載流子的運(yùn)動(dòng)

2.1 載流子的漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

2.2 產(chǎn)生-復(fù)合

2.3 連續(xù)性方程及其解

思考題

第3章 結(jié)

3.1 處于平衡狀態(tài)的pn結(jié)

3.2 不同偏壓下的同質(zhì)pn結(jié)

3.3 理想二極管行為的偏離

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(shì)壘

思考題

第4章 雙極結(jié)型晶體管

4.1 BJT工作原理

4.2 BJT的二階效應(yīng)

4.2.1 基區(qū)漂移

4.2.2 基區(qū)寬度調(diào)制/Early效應(yīng)

4.2.3 雪崩擊穿

4.3 BJT的高頻特性

思考題

第5章結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管

5.1 JFE