固态电子器件 solid-state device

利用固体内部电子运动变化原理制成的具有一定功能的电子器件。

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，电阻率一般在欧·厘米范围。

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，因而有时又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，离子可带负电荷或带正电荷。离子导电的半导体简称离子导体。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。

从器件结构来看，固态电子器件大致可分为二端器件和三端器件两大类。绝大部分的二端器件（有时称二极管）的基本结构是一个PN结，但用途则很不相同（见表）。

耿氏二极管和光导二极管（光敏电阻）都是由整块半导体材料制成的，并没有PN结。肖特基二极管有一个金属和半导体接触的肖特基结，其电流-电压特性与PN结类似。PNPN闸流管有三个相串联的PN结，由于PN结的少数载流子注入效应使其具有闸流管性质。表中列出了主要几种二端器件（包括二极管）的特性和用途。

三端器件一般是有源器件，典型的代表是各种晶体三极管（又称晶体管）。晶体管又可分为双极型晶体管和场效应晶体管两大类。双极型晶体管是由两个串联在一起的PN结构成，其中一个PN结称为发射结，另一个称为集电结。两个结之间的一个薄层称为基区。在应用时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。通过发射结的电流使大量的少数载流子注入到基区，靠扩散迁移到集电结而形成集电极电流，只有极少量的少数载流子在基区内复合而形成基极电流。在共发射极电路中，基极电流的微小变化可以控制集电极电流的较大变化，这就是双极型晶体管的电流放大效应。在双极型晶体管的工作过程中，基区中的多数载流子和少数载流子（电子或空穴）同时参与信息传输过程，故称为双极型。

场效应晶体管是靠垂直电场改变一薄层半导体的电阻来获得放大信号的功能。半导体薄层的两端各接一个电极称为源和漏。控制垂直电场的电极称栅。场效应晶体管在工作过程中只有一个极性的多数载流子参加导电，因而称为单极型。场效应品体管中施加垂直电场的方式可以有三种：

①通过反向偏置的PN结。称为结型场效应晶体管。

②通过反向偏置的肖特基结。称为MES场效应管。

③通过绝缘栅。称为MOS晶体管。结性场效应晶体管一般用于较低频率范围。MES场效应管宜用砷化镓材料，而MOS晶体管在硅大规模集成电路中用得最为普遍。

晶体管根据使用范围的不同，可分为功率晶体管、微波晶体管和低噪声晶体管等。

除了作为放大、振荡、开关用的一般晶体管外，还有一些特殊用途的晶体管，如光晶体三极管、磁敏晶体管、场效应传感器等。这些器件既能把一些环境因素（光、磁、气等）的信息转换为电信号，又有一般晶体管的放大作用，能把信号放大，得到较大的输出信号。

此外，还有一些特殊器件，如单结晶体管可用于产生锯齿波；可控硅（可控闸流管）用于各种大电流的控制电路；电荷耦合器件可用作摄像器件或信号存储器件等。利用半导体的其他特性制成的器件还有热敏电阻器、压敏元件、霍耳器件、温差制冷元件和表面波器件等。

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第8册，中国大百科全书出版社，2009年