本指南作为半导体的入门指南，从半导体的定义到半导体在晶体管、二极管和发光二极管中的用途均有介绍。
本指南由技术支持工程师Mithun Subbaroybhat审查（2022年12月）
半导体已经改变了电子行业。它们是一种关键的构建模块，用于将电子信号转换和放大。作为现代电子学的基本组成部分，半导体几乎存在于所有电子设备和电路中。
在本指南中，我们将更详细地了解什么是半导体和半导体用途。我们还将讨论半导体工作原理，并展示一些基于半导体材料的常见设备类型。
半导体是什么？
半导体是电子行业中使用的关键组件。它们在特定条件下导电，但在其他条件下不导电。半导体是一种绝缘体，当温度升高到一定阈值时变为导体。这意味着它们可以控制电流的流动，使它们成为许多不同类型电子设备中独特有用的组件。
什么是半导体二极管？
半导体二极管是一种基本的半导体器件。它是第一种基于半导体的电子器件。
简单来说，二极管是一种带有P-N结的半导体，连接有两个电极。P-N结是大多数半导体器件（包括二极管和晶体管）中使用的基本构建模块。它本质上是两种半导体材料（P型和N型）之间的边界或界面，这些材料是通过注入杂质来创建的。
半导体二极管具有非对称特性。它们对一方向的电流流动具有高阻抗，对另一方向具有低阻抗。通过使用不同的材料和向这些材料添加杂质（称为掺杂过程），可以进一步调整半导体二极管的非线性电流-电压特性，从而使它们能够执行不同的功能。
为什么半导体重要？
半导体一词来自半（意为一半）和导体。它指的是具有某些但并非全部电导性质的材料。
半导体位于优良导体（如铜）和优良绝缘体（如玻璃或塑料）之间。因此，它有时会在特定方向上导电，取决于电刺激。结果，它是一个用作电子开关的良好材料，可以导电或不导电，从而在二进制计算和数字处理系统中提供所需的1或0。
半导体非常重要，因为它们可以被构建成导电比其他材料更好，这使它们非常适用于许多应用。
半导体用途是什么？
半导体二极管最常见的功能是允许电流在一个方向（正向）通过，同时在反向阻止电流。它们通常用于电路中，例如在二极管桥中，用于整流信号以将交流转换为直流。
此外，半导体二极管还可以仅在正向方向（正偏）存在一定的阈值电压时才导电。正向偏置二极管跨越的电压降将仅略微随电流变化，受到温度的影响。这种效应意味着半导体二极管也可以用作温度传感器。
半导体工作原理
半导体是一种导电能力足以用于晶体管和其他电子设备的材料，但不像金属那样优良导电。它们由中心具有正负电荷混合的原子组成（称为P型和N型半导体），当暴露于光或热时它们会导电。
当电流通过半导体器件时，这些器件被激活。此电流导致其外壳中的电子在它们的原子之间自由流动，从而在它们周围创建了电场。当两个电荷相反的半导体相遇时，它们的电子流向彼此，从而在两种材料之间创建电路。
半导体材料
严格来说，半导体不是组件，而是具有导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。由于其化学成分的缘故，许多形式自然存在。
硅（Si）是今天工业中使用的主要材料，但也可以使用其他材料，如锗（Ge）或砷化物（GaAs）。半导体，包括硅，具有与其原子结构相关的独特电学特性。当半导体由微小的晶体化合物晶体组成时，它被称为微晶或非晶态半导体材料。上述材料都是非晶态半导体的例子。
半导体封装
半导体封装是用包装材料保护半导体材料，并且这些包装材料通常由塑料、陶瓷、玻璃或金属制成。封装提供保护，并容纳用于连接设备到外部电路的接触针、引线或接触垫。包装对于散热也很重要。有各种不同的半导体封装类型可用，合适的选择通常取决于尺寸、功耗以及引线或接触垫数。
半导体类别
半导体器件类型
基于半导体技术的电子组件包括离散元件，例如 MOSFET 或双极晶体管。它们也可以包括诸如发光二极管（LED）之类的二极管，以及不断扩展的各种集成电路（IC）。有许多不同类型的半导体二极管可用，包括 PIN 、恒流、电视保护、Zener、肖特基和各种整流器类型。
下面详细解释了一些常见的半导体器件类型。
PIN二极管
PIN二极管是一种半导体二极管，在P型和N型区域之间有一个宽且掺杂很轻的区域。与标准P-N二极管相比，这使得PIN二极管适合用作高压电子设备中的快速开关或衰减器。
PIN二极管的关键属性包括：
- 二极管配置包括单极、双极、共阴极或共阳极
- 目标应用包括衰减器或开关
- 工作频率范围，如VHF、UHF或SHF
- 正向传导电流（最大）
- 正向和反向电压（最大）
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激光二极管
半导体激光二极管将电能转化为光能。在这个过程中，光子以一束可朝向物体或集中在表面加热的光束形式发射出来。激光二极管产生单一波长的光（窄光谱），适用于读取条形码或扫描文件等应用。
晶体振荡器使用激光二极管生成精确的频率，用于控制计算机和其他设备中的定时电路。激光二极管还可以与隧道二极管结合使用，通过增加受光子照射时流过其的电流量来增加灵敏度。
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隧道二极管
隧道二极管是一种只允许电流单向通过的半导体器件，阻止了反向电流的流动。它们由两层P型掺杂的半导体构成，中间有一层绝缘层。这被称为本征层，通常是纯硅氧化物，但也可以由其他化合物制成。
光电管
光电管，也被称为光电阻，是一种根据光强度（光电导）而改变电阻值的半导体器件。它们吸收光并将其转换为电能。光电管可用于太阳能电池或太阳能收集。
太阳能电池
太阳能电池是将太阳光转化为电能的另一个实例。它们由半导体和其他组件组成，利用光电效应工作。
音频电路
半导体可用作音频电路中的放大器。晶体管放大器是最常用于此目的的一种类型。半导体被用作音频电路中的晶体管，因为它们可以将小的电信号放大为较大的信号。这是通过控制电子在电路板上两个点之间的流动来实现的。
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耿氏二极管（Gunn二极管）
Gunn二极管在两个电子可以自由无阻力地移动的区域之间有一个小间隙。这意味着它们在低电压水平下具有很高的增益，但在高电压水平下增益较低。它们在需要在低电压水平下具有较大增益但在高电压水平下具有较小增益的射频放大器和振荡器中使用。
IMPATT 二极管
IMPATT（Impact Ionisation Avalanche Transit Time）二极管是具有负电阻的高功率半导体二极管。它们通常用作高频微波电子设备中的放大器和振荡器。
集成电路
集成电路是在一块半导体材料上集成了多个电子电路和功能元件（如电阻器、晶体管等）。与离散的半导体元件不同，集成电路可以在大型微处理器芯片中包含数百万个晶体管。
分立半导体
分立半导体是由锗或硅等化合物制成的离散单晶体。它们具有特定的性质，使其在许多不同的应用中有用。分立半导体器件包括：
整流二极管
整流二极管属于离散半导体的一类。
光电二极管
光电二极管（光传感器）是另一种离散半导体的类型。
晶体管
晶体管（放大器）是第三种离散半导体的类型。
