固態(tài)電子器件概述

在室溫下，就導(dǎo)電性能來說，固體可分為絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體三類。絕緣體內(nèi)部自由電子非常少，電阻率在1022 ～1010歐·厘米范圍內(nèi)。導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子密度不僅很大，而且不受環(huán)境溫度的影響。半導(dǎo)體內(nèi)部的自由載流子密度受外界環(huán)境的影響很大，電阻率介于絕緣體和導(dǎo)體之間。半導(dǎo)體的電學(xué)性能很容易受各種因素的控制。絕大部分的固態(tài)電子器件是用半導(dǎo)體材料制成的，因而有時(shí)也稱為半導(dǎo)體電子器件。在極低溫度下，某些固體的電阻率會(huì)突然接近于零，這種材料稱為超導(dǎo)體。用超導(dǎo)體制成的固態(tài)電子器件簡(jiǎn)稱為超導(dǎo)器件，在探測(cè)器、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和高速元件方面有很重要的應(yīng)用前景。

從固體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)來看，半導(dǎo)體中可移動(dòng)的帶電粒子可以是電子、空穴或離子。電子是帶負(fù)電荷的粒子，空穴是帶正電荷的準(zhǔn)粒子，離子可以帶負(fù)電荷或帶正電荷。離子導(dǎo)電的半導(dǎo)體一般簡(jiǎn)稱為離子導(dǎo)體。離子導(dǎo)體在導(dǎo)電過程中伴隨著本身成分的化學(xué)變化，因而不宜作電子功能器件。電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱電子型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱N型半導(dǎo)體?？昭▽?dǎo)電的半導(dǎo)體稱空穴型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱P型半導(dǎo)體。如果半導(dǎo)體中同時(shí)存在等量的電子和空穴則稱為本征半導(dǎo)體。固體中電子的能量分布一般分成若干個(gè)能帶。半導(dǎo)體中的外層價(jià)電子常處于價(jià)帶或?qū)е?，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間有一定的間隔稱為禁帶。價(jià)帶基本上被價(jià)電子所填滿，有時(shí)也存在少量空額，即上述的空穴。導(dǎo)帶中可以有少量自由電子。導(dǎo)帶中的電子密度和價(jià)帶中的空穴密度不僅受外界溫度、光照等的影響，而且受半導(dǎo)體材料中微量雜質(zhì)、晶體缺陷等的影響也很大。鍺、硅半導(dǎo)體材料中摻入微量的磷、砷或銻就成為N型半導(dǎo)體;摻入微量的硼、鎵或鋁，就成為P型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體連接在一起就成為一個(gè)PN結(jié)。PN結(jié)是許多半導(dǎo)體電子器件的基本單元結(jié)構(gòu)。PN結(jié)具有整流特性，通電流時(shí)，一個(gè)方向的電阻很小，另一個(gè)方向的電阻很大。反向偏置時(shí)，PN結(jié)還可以和一個(gè)電容器等效。正向偏置時(shí)，P型半導(dǎo)體中的空穴注入到N型半導(dǎo)體中去，而N型半導(dǎo)體中的電子注入到P型半導(dǎo)體中去，這稱為PN結(jié)的少子(少數(shù)載流子)注入效應(yīng)。光照在半導(dǎo)體表面時(shí)，可以在半導(dǎo)體內(nèi)部激發(fā)出自由電子、自由空穴或電子空穴對(duì)。這是許多半導(dǎo)體光電子器件的最基本的工作機(jī)理。

固態(tài)電子器件的理論基礎(chǔ)是固體物理，技術(shù)基礎(chǔ)是材料科學(xué)。30年代固體電子論的進(jìn)展和40～50年代鍺、硅材料工藝的進(jìn)展，奠定了后半個(gè)世紀(jì)固態(tài)電子器件飛速發(fā)展的基礎(chǔ)。Ⅲ、Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料，尤其是砷化鎵材料工藝日趨成熟，新的固態(tài)電子器件隨著材料質(zhì)量的提高和對(duì)材料物理的深入研究而不斷出現(xiàn)。在微波晶體管方面，從已有的MES場(chǎng)效應(yīng)晶體管發(fā)展到調(diào)制摻雜高遷移率晶體管，使電路的開關(guān)延遲縮短，頻率響應(yīng)又有很大提高。此外，用異質(zhì)結(jié)制做晶體管時(shí)，由于異質(zhì)發(fā)射結(jié)的注入效率高，基區(qū)電阻小，可使頻率響應(yīng)提高很多，也有很大前途。當(dāng)器件尺寸不斷縮小時(shí)，熱載流子可以不受碰撞飛過有源區(qū)，因而將出現(xiàn)利用彈道效應(yīng)的高速、高頻晶體管。InP 材料的電子負(fù)微分遷移率效應(yīng)比砷化鎵更為顯著，閾值電場(chǎng)更低，因此用InP將做出性能更好的電子轉(zhuǎn)移器件。另外，利用分子束外延等新技術(shù)可以制備超晶格材料、空間調(diào)制摻雜材料、各種理想的異質(zhì)結(jié)等新結(jié)構(gòu)的材料。

通常的固態(tài)器件包括晶體管、微處理器芯片以及動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Dynamic random-access memory (DRAM))等。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)及其相關(guān)產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，而且最近的固態(tài)硬盤有取代傳統(tǒng)機(jī)械旋轉(zhuǎn)式硬盤的趨勢(shì)。固態(tài)電子器件的行為涉及了大量的電磁學(xué)、量子力學(xué)過程。固態(tài)電子器件的概念在1950年代和1960年代開始變得流行，那段時(shí)間業(yè)界經(jīng)歷了真空管到半導(dǎo)體二極管和之后的晶體管的技術(shù)轉(zhuǎn)變。后來，集成電路(integrated circuit (IC))、發(fā)光二極管(light-emitting diode (LED))以及液晶顯示器(liquid-crystal display (LCD))等成為了固態(tài)電子設(shè)備研究的新成果。