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現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)是半導體器件，因此半導體器件的性能就決定了整個電子產(chǎn)品的性能，所謂半導體就是導電性能介于導體和絕緣體之間的物理器件。最開始時，人們對這些物質(zhì)并不感興趣，后來才發(fā)現(xiàn)半導體的獨特性能，有導體和絕緣體不可替代的優(yōu)勢。最常見的半導體器件是二極管，其他所有的半導體器件都是建立在此基礎(chǔ)之上的。 原子結(jié)構(gòu)和半導體器件 導體之所以導電是因為其內(nèi)部有容易活動的自由電子，自由電子在電場的作用下開始運動，這個運動就是電流。物質(zhì)都是由原子組成，每個原子都由原子核和繞在其外面的軌道的自由電子組成，一般從外向內(nèi)分為最多7個軌道，分為從K到Q，其中存在兩個規(guī)律：第一是越往外層軌道，電子能量越小，越容易脫離軌道成為自由電子。第二是當最外層軌道的電子是1或者起最大電子數(shù)減1時就特別容易丟失電子或者獲得電子。 圖1：原子的電子殼層 電子一般帶負電，把丟失電子的軌道位置叫做空穴，可以視為帶正電的粒子。把攜帶電流的物質(zhì)叫做載流子，一般就是空穴或者自由電子。電流流動時，如果空穴比自由電子多，則視其為載流子，如果自由電子多，則視自由電子為載流子。 對于半導體而言，它們的外層電子不那么容易失去，比如元素硅，其外層是四個電子，既不容易失去也不容易得到，但是卻可以對其進行摻雜一些其他元素，使其出現(xiàn)自由電子或者空穴，一般如果摻雜元素后空穴為多數(shù)載流子則為P型半導體，摻雜后出現(xiàn)自由電子為多數(shù)載流子就是N型半導體。兩種半導體連在一起時，就會呈現(xiàn)非常有趣的一個特性——電流單向流通性，即電流只能從P流向N，而不能反轉(zhuǎn)流動。而如果將兩個P型半導體和一個N型半導體(或者兩個N型半導體和一個P型半導體)結(jié)合起來還可以形成三極管，在二極管的性質(zhì)基礎(chǔ)上，三極管擁有以下特性： 1、電流流向的可控性。平時三極管無法導電，但當加入一個額外的電壓開關(guān)時則可以成為導體，且流動方向可控。 2、可以起到電流的放大作用。在電壓開關(guān)的作用下，半導體內(nèi)載流子數(shù)量增多，電流隨之增大。 在這兩個特性之下，如果給電壓開關(guān)施加一個周期電信號，其自然而然就會放大產(chǎn)生另外一個周期電信號，最終通過射頻組件釋放出去之后就成了電磁波，這就是雷達電磁波的基本原理。 寬禁帶半導體 現(xiàn)代電子器件的大規(guī)模集成電路被植入在半導體之上，這些半導體被稱為襯底，通過不同的摻雜，可以有效的形成微型二極管、三極管、電容、電感等電路組件。一般的半導體襯底都有擊穿電壓，一旦電壓超過這個限度，二極管就要損壞。同時也對應了一個電子漂移速率，這是其材料的自由電子脫離原電子軌道和結(jié)合新電子軌道的速率決定的，脫離的難易程度叫做禁帶寬度，禁帶越寬，相應的擊穿電壓就越大，于是半導體器件的最大輸出功率就大一些，同時電路的開關(guān)相應速率就越快，于是就可以做更高頻率的微波器件。 圖2：F-22戰(zhàn)機使用的AN/APG-73雷達采用了GaAs襯底的微波功率器件，使其功率和頻率可以達到很高。 電子產(chǎn)品最開始使用的半導體襯底大多是硅元素和硼元素、磷元素摻雜，因技術(shù)難度低且便宜，商用和民用的很多電子產(chǎn)品仍然在采用。但在制作軍用高功率微波器件時，這些顯然無法使用。后來采取了GaAs(砷化鎵)襯底，其電子漂移速率和擊穿電壓比硅元素器件高10倍以上，F(xiàn)-22上的相控陣雷達便使用這種襯底的元器件。最新的襯底材料超越了GaAs一個數(shù)量級，這就是GaN(氮化鎵)和SiC，這方面美國和日本目前走在了前面，這兩種襯底已經(jīng)到了工程運用階段，而我國目前只有中科院制造出來了單晶SiC，還無法進行實際上的工程大規(guī)模生產(chǎn)運用。 可以說今后的電子系統(tǒng)，誰在寬禁帶半導體器件上占據(jù)上風，誰就能在電子戰(zhàn)中獲得勝利，因此我國必須對這一行業(yè)給予高度重視。 |
