固态电子器件概述

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。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，因而将出现利用弹道效应的高速、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。

通常的固态器件包括晶体管、微处理器芯片以及动态随机存取存储器(Dynamic random-access memory (DRAM))等。动态随机存取存储器在计算机及其相关产品中应用广泛，而且最近的固态硬盘有取代传统机械旋转式硬盘的趋势。固态电子器件的行为涉及了大量的电磁学、量子力学过程。固态电子器件的概念在1950年代和1960年代开始变得流行，那段时间业界经历了真空管到半导体二极管和之后的晶体管的技术转变。后来，集成电路(integrated circuit (IC))、发光二极管(light-emitting diode (LED))以及液晶显示器(liquid-crystal display (LCD))等成为了固态电子设备研究的新成果。