寫在前面的題外話:
電子元器件是電子元件和小型的機器、儀器的組成部分,其本身常由若干零件構成,可以在同類產品中通用;常指電器、無線電、儀表等工業的某些零件,是電容、電晶體、遊絲、發條等電子器件的總稱。常見的有二極體等。電子元器件發展史其實就是一部濃縮的電子發展史。電子技術是十九世紀末、二十世紀初開始發展起來的新興技術,二十世紀發展最迅速,應用最廣泛,成為近代科學技術發展的一個重要標誌。
電子元器件包括:電阻、電容、電感、電位器、電子管、散熱器、機電元件、連接器、半導體分立器件、電聲器件、雷射器件、電子顯示器件、光電器件、傳感器、電源、開關、微特電機、電子變壓器、繼電器、印製電路板、集成電路、各類電路、壓電、晶體、石英、陶瓷磁性材料、印刷電路用基材基板、電子功能工藝專用材料、電子膠(帶)製品、電子化學材料及部品等。電子元器件在質量方面國際上有歐盟的CE認證,美國的UL認證,德國的VDE和TUV以及中國的CQC認證等國內外認證,來保證元器件的合格。
一、半導體
半導體具體是指常溫下導電性能介於導體與絕緣體之間的材料,半導體在集成電路、消費電子、通信系統、光伏發電、照明、大功率電源轉換等領域都有應用,如二極體就是採用半導體製作的器件。
1.半導體的物理定義
物質存在的形式多種多樣,固體、液體、氣體、等離子體等等。我們通常把導電性差的材料,如煤、人工晶體、琥珀、陶瓷等稱為絕緣體。而把導電性比較好的金屬如金、銀、銅、鐵、錫、鋁等稱為導體。可以簡單的把介於導體和絕緣體之間的材料稱為半導體。與導體和絕緣體相比,半導體材料的發現是最晚的,直到20世紀30年代,當材料的提純技術改進以後,半導體的存在才真正被學術界認可。半導體是指在常溫下導電性能介於導體與絕緣體之間的材料。半導體是指一種導電性可控,範圍從絕緣體到導體之間的材料。從科學技術和經濟發展的角度 來看,半導體影響著人們的日常工作生活,直到20世紀30年代這一材料才被學界所認可。
2.半導體分類及性能
①.元素半導體。元素半導體是指單一元素構成的半導體,其中對矽、硒的研究比較早。它是由相同元素組成的具有半導體特性的固體材料,容易受到微量雜質和外界條件的影響而發生變化。目前, 只有矽、鍺性能好,運用的比較廣,硒在電子照明和光電領域中應用。矽在半導體工業中運用的多,這主要受到二氧化矽的影響,能夠在器件製作上形成掩膜,能夠提高半導體器件的穩定性,利於自動化工業生產。
②.無機合成物半導體。無機合成物主要是通過單一元素構成半導體材料,當然也有多種元素構成的半導體材料,主要的半導體性質有I族與V、VI、VII族;II族與IV、V、VI、VII族;III族與V、VI族;IV族與IV、VI族;V族與VI族;VI族與VI族的結合化合物,但受到元素的特性和製作方式的影響,不是所有的化合物都能夠符合半導體材料的要求。這一半導體主要運用到高速器件中,InP製造的電晶體的速度比其他材料都高,主要運用到光電集成電路、抗核輻射器件中。 對於導電率高的材料,主要用於LED等方面。
③.有機合成物半導體。有機化合物是指含分子中含有碳鍵的化合物,把有機化合物和碳鍵垂直,疊加的方式能夠形成導帶,通過化學的添加,能夠讓其進入到能帶,這樣可以發生電導率,從而形成有機化合物半導體。這一半導體和以往的半導體相比,具有成本低、溶解性好、材料輕加工容易的特點。可以通過控制分子的方式來控制導電性能,應用的範圍比較廣,主要用於有機薄膜、有機照明等方面。
④.非晶態半導體。它又被叫做無定形半導體或玻璃半導體,屬於半導電性的一類材料。非晶半導體和其他非晶材料一樣,都是短程有序、長程無序結構。它主要是通過改變原子相對位置,改變原有的周期性排列,形成非晶矽。晶態和非晶態主要區別於原子排列是否具有長程序。非晶態半導體的性能控制難,隨著技術的發明,非晶態半導體開始使用。這一製作工序簡單,主要用於工程類,在光吸收方面有很好的效果,主要運用到太陽能電池和液晶顯示屏中。
⑤.本徵半導體:不含雜質且無晶格缺陷的半導體稱為本徵半導體。在極低溫度下,半導體的價帶是滿帶,受到熱激發後,價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶,空帶中存在電子後成為導帶,價帶中缺少一個電子後形成一個帶正電的空位,稱為空穴。空穴導電並不是實際運動,而是一種等效。電子導電時等電量的空穴會沿其反方向運動。
它們在外電場作用下產生定向運動而形成宏觀電流,分別稱為電子導電和空穴導電。這種由於電子-空穴對的產生而形成的混合型導電稱為本徵導電。導帶中的電子會落入空穴,電子-空穴對消失,稱為複合。複合時釋放出的能量變成電磁輻射(發光)或晶格的熱振動能量(發熱)。在一定溫度下,電子-空穴對的產生和複合同時存在並達到動態平衡,此時半導體具有一定的載流子密度,從而具有一定的電阻率。溫度升高時,將產生更多的電子-空穴對,載流子密度增加,電阻率減小。無晶格缺陷的純淨半導體的電阻率較大,實際應用不多。
3.半導體的具體價值
目前廣泛應用的半導體材料有鍺、矽、硒、砷化鎵、磷化鎵、銻化銦等.其中以鍺、矽材料的生產技術較成熟,用的也較多。用半導體材料製成的部件、集成電路等是電子工業的重要基礎產品,在電子技術的各個方面已大量使用。半導體材料、器件、集成電路的生產和科研已成為電子工業的重要組成部分。
另外無論從科技或是經濟發展的角度來看,半導體的重要性都是非常巨大的。大部分的電子產品,如計算機、行動電話或是數字錄音機當中的核心單元都和半導體有著極為密切的關聯。常見的半導體材料有矽、鍺、砷化鎵等,矽是各種半導體材料應用中最具有影響力的一種。
4.半導體的應用領域
①.光伏應用
半導體材料光生伏特效應是太陽能電池運行的基本原理。現階段半導體材料的光伏應用已經成為一大熱門 ,是目前世界上增長最快、發展最好的清潔能源市場。太陽能電池的主要製作材料是半導體材料,判斷太陽能電池的優劣主要的標準是光電轉化率 ,光電轉化率越高 ,說明太陽能電池的工作效率越高。根據應用的半導體材料的不同 ,太陽能電池分為晶體矽太陽能電池、薄膜電池以及III-V族化合物電池。
②.照明應用
LED是建立在半導體電晶體上的半導體發光二極體 ,採用LED技術半導體光源體積小,可以實現平面封裝,工作時發熱量低、節能高效,產品壽命長、反應速度快,而且綠色環保無汙染,還能開發成輕薄短小的產品 ,一經問世 ,就迅速普及,成為新一代的優質照明光源,目前已經廣泛的運用在我們的生活中。如交通指示燈、電子產品的背光源、城市夜景美化光源、室內照明等各個領域 ,都有應用。
③.大功率電源轉換
交流電和直流電的相互轉換對於電器的使用十分重要 ,是對電器的必要保護。這就要用到等電源轉換裝置。碳化矽擊穿電壓強度高 ,禁帶寬度寬,熱導性高,因此SiC半導體器件十分適合應用在功率密度和開關頻率高的場合,電源裝換裝置就是其中之一。碳化矽元件在高溫、高壓、高頻的又一表現使得現在被廣泛使用到深井鑽探,發電裝置中的逆變器,電氣混動汽車的能量轉化器,輕軌列車牽引動力轉換等領域。由於SiC本身的優勢以及現階段行業對於輕量化、高轉換效率的半導體材料需要,SiC將會取代Si,成為應用最廣泛的半導體材料。
5.半導體具備的特性
①.熱敏特性
半導體的電阻率隨溫度變化會發生明顯地改變。例如純鍺,溼度每升高10度,它的電阻率就要減小到原來的1/2。溫度的細微變化,能從半導體電阻率的明顯變化上反映出來。利用半導體的熱敏特性,可以製作感溫元件——熱敏電阻,用於溫度測量和控制系統中。值得注意的是,各種半導體器件都因存在著熱敏特性,在環境溫度變化時影響其工作的穩定性。
②.光敏特性
半導體的電阻率對光的變化十分敏感。有光照時、電阻率很小;無光照時,電阻率很大。例如,常用的硫化鎘光敏電阻,在沒有光照時,電阻高達幾十兆歐姆,受到光照時.電阻一下子降到幾十千歐姆,電阻值改變了上千倍。利用半導體的光敏特性,製作出多種類型的光電器件,如光電二極體、光電三極體及矽光電池等.廣泛應用在自動控制和無線電技術中。
③.摻雜特性
在純淨的半導體中,摻入極微量的雜質元素,就會使它的電阻率發生極大的變化。例如.在純矽中摻入。百萬分之—的硼元素,其電阻率就會從214000Ω·cm一下於減小到0.4Ω·cm.也就是矽的導電能為提高了50多萬倍。人們正是通過摻入某些特定的雜質元素,人為地精確地控制半導體的導電能力,製造成不同類型的半導體器件。可以毫不誇張地說,幾乎所有的半導體器件,都是用摻有特定雜質的半導體材料製成的。
二、集成電路
集成電路,英文為Integrated Circuit,縮寫為IC;顧名思義,就是把一定數量的常用電子元件,如電阻、電容、電晶體等,以及這些元件之間的連線,通過半導體工藝集成在一起的具有特定功能的電路。
1.集成電路具體釋義
集成電路(integrated circuit)是一種微型電子器件或部件。採用一定的工藝,把一個電路中所需的電晶體、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起,製作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上,然後封裝在一個管殼內,成為具有所需電路功能的微型結構;其中所有元件在結構上已組成一個整體,使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進了一大步。它在電路中用字母「IC」表示。集成電路發明者為傑克·基爾比(基於鍺(Ge)的集成電路)和羅伯特·諾伊思(基於矽(Si)的集成電路)。
當今半導體工業大多數應用的是基於矽的集成電路。是20世紀50年代後期到60年代發展起來的一種新型半導體器件。它是經過氧化、光刻、擴散、外延、蒸鋁等半導體製造工藝,把構成具有一定功能的電路所需的半導體、電阻、電容等元件及它們之間的連接導線全部集成在一小塊矽片上,然後焊接封裝在一個管殼內的電子器件。其封裝外殼有圓殼式、扁平式或雙列直插式等多種形式。集成電路技術包括晶片製造技術與設計技術,主要體現在加工設備,加工工藝,封裝測試,批量生產及設計創新的能力上。
2.集成電路相關分類
①.按功能結構分
集成電路,又稱為IC,按其功能、結構的不同,可以分為模擬集成電路、數字集成電路和數/模混合集成電路三大類。模擬集成電路又稱線性電路,用來產生、放大和處理各種模擬信號(指幅度隨時間變化的信號。例如半導體收音機的音頻信號、錄放機的磁帶信號等),其輸入信號和輸出信號成比例關係。而數字集成電路用來產生、放大和處理各種數位訊號(指在時間上和幅度上離散取值的信號。例如5G手機、數位相機、電腦CPU、數位電視的邏輯控制和重放的音頻信號和視頻信號)。
②.按製作工藝分
集成電路按製作工藝可分為半導體集成電路和膜集成電路。膜集成電路又分類厚膜集成電路和薄膜集成電路。
③.按集成度高低分
集成電路按集成度高低的不同可分為:SSIC 小規模集成電路、MSIC 中規模集成電路、LSIC 大規模集成電路、VLSIC 超大規模集成電路、ULSIC特大規模集成電路、GSIC 巨大規模集成電路也被稱作極大規模集成電路或超特大規模集成電路。
④.按導電類型不同分
集成電路按導電類型可分為雙極型集成電路和單極型集成電路,他們都是數字集成電路。雙極型集成電路的製作工藝複雜,功耗較大,代表集成電路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等類型。單極型集成電路的製作工藝簡單,功耗也較低,易於製成大規模集成電路,代表集成電路有CMOS、NMOS、PMOS等類型。
⑤.按用途分
集成電路按用途可分為電視機用集成電路、音響用集成電路、影碟機用集成電路、錄像機用集成電路、電腦(微機)用集成電路、電子琴用集成電路、通信用集成電路、照相機用集成電路、遙控集成電路、語言集成電路、報警器用集成電路及各種專用集成電路。
⑥.按應用領域分
集成電路按應用領域可分為標準通用集成電路和專用集成電路。
⑦.按外形分
集成電路按外形可分為圓形(金屬外殼電晶體封裝型,一般適合用於大功率)、扁平型(穩定性好,體積小)和雙列直插型。
3.集成電路發展歷程
最先進的集成電路是微處理器或多核處理器的"核心(cores)",可以控制電腦到手機到數字微波爐的一切。存儲器和ASIC是其他集成電路家族的例子,對於現代信息社會非常重要。雖然設計開發一個複雜集成電路的成本非常高,但是當分散到通常以百萬計的產品上,每個IC的成本最小化。IC的性能很高,因為小尺寸帶來短路徑,使得低功率邏輯電路可以在快速開關速度應用。
這些年來,IC 持續向更小的外型尺寸發展,使得每個晶片可以封裝更多的電路。這樣增加了每單位面積容量,可以降低成本和增加功能-見摩爾定律,集成電路中的電晶體數量,每兩年增加一倍。總之,隨著外形尺寸縮小,幾乎所有的指標改善了-單位成本和開關功率消耗下降,速度提高。但是,集成納米級別設備的IC不是沒有問題,主要是洩漏電流(leakage current)。因此,對於最終用戶的速度和功率消耗增加非常明顯,製造商面臨使用更好幾何學的尖銳挑戰。這個過程和在未來幾年所期望的進步,在半導體國際技術路線圖(ITRS)中有很好的描述。
越來越多的電路以集成晶片的方式出現在設計師手裡,使電子電路的開發趨向於小型化、高速化。越來越多的應用已經由複雜的模擬電路轉化為簡單的數字邏輯集成電路。
4.集成電路的大普及
僅僅在其開發後半個世紀,集成電路變得無處不在,電腦,手機和其他數字電器成為現代社會結構不可缺少的一部分。這是因為,現代計算,交流,製造和交通系統,包括網際網路,全都依賴於集成電路的存在。甚至很多學者認為有集成電路帶來的數字革命是人類歷史中最重要的事件。
三、半導體和IC以及集成電路的相互關係
1.晶片,又稱微電路(microcircuit)、微晶片(microchip)、集成電路(integrated circuit, IC),是指內含集成電路的矽片,體積很小,常常是計算機或其他電子設備的一部分。晶片(chip)就是半導體元件產品的統稱,是 集成電路(IC, integrated circuit)的載體,由晶圓分割而成。矽片是一塊很小的矽,內含集成電路,它是計算機或者其他電子設備的一部分。
2.半導體( semiconductor),指常溫下導電性能介於導體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料。如二極體就是採用半導體製作的器件。半導體是指一種導電性可受控制,範圍可從絕緣體至導體之間的材料。可以簡單的把介於導體和絕緣體之間的材料稱為半導體。
3.集成電路(integrated circuit)是一種微型電子器件或部件。採用一定的工藝,把一個電路中所需的電晶體、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起,製作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上,然後封裝在一個管殼內,成為具有所需電路功能的微型結構;其中所有元件在結構上已組成一個整體,使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進了一大步。它在電路中用字母「IC」表示。
4.晶片就是晶片,一般是指你肉眼能夠看到的長滿了很多小腳的或者腳看不到,但是很明顯的方形的那塊東西。但是,晶片也包括各種各樣的晶片,比如基帶的、電壓轉換的等等。處理器更強調功能,指的就是那塊執行處理的單元,可以說是MCU、CPU等。集成電路範圍要廣多了,把一些電阻電容二極體集成到一起就算是集成電路了,可能是一塊模擬信號轉換的晶片,也可能是一塊邏輯控制的晶片,但是總得來說,這個概念更加偏向於底層的東西。集成電路是指組成電路的有源器件、無源元件及其互連一起製作在半導體襯底上或絕緣基片上,形成結構上緊密聯繫的、內部相關的事例電子電路。它可分為半導體集成電路、膜集成電路、混合集成電路三個主要分支。
5.晶片是集成電路一種簡稱,其實晶片一詞的真正含義是指集成電路封裝內部的一點點大的半導體晶片,也就是管芯。嚴格講晶片和集成電路不能互換。 集成電路就是通過半導體技術,薄膜技術和厚膜技術製造的,凡是把一定功能的電路小型化後做在一定封裝的電路形式下的,都可以叫做集成電路。半導體是一種介於良好導體和非良好導體(或說絕緣體)之間的物質。
6.IC 指集成電路,做在半導體上是因為半導體是最適合實現電晶體的材料,而電晶體正是現在絕大多數電路的核心器件。IC 的中文叫「集成電路」,在電子學中是把電路(包括半導體裝置、組件)小型化、並製造在半導體晶圓表面上。所以半導體只是製作 IC 的原料。也就是說常說的半導體產業鏈,正確一點來說應該叫 IC 產業鏈,包括「IC設計」、「IC製造」、「IC封裝」。因為在 IC 設計和封裝的環節,都不會碰到半導體啊!重點是那顆IC!
深圳賽納威是一家專業從事環境檢測儀器及環境監測治理系統開發和製造的高科技企業,公司早期開發的淨化車間專用塵埃粒子計數器系列產品和氣體檢測儀器系列產品已經在國內外市場上佔據了較高的市場份額,CW-RPC300遠程遙測雷射塵埃粒子計數器是智能多點淨化檢測系統的終端設備,可以為用戶提供實時準確地遠程測量所監控環境的微粒數量和淨化等級,並能根據不同需要增加或減少控制終端,實現7*24實時遠程自動監測,通過RJ45網絡接口、WiFi、485(moudbus)等,將數據送給PC終端,顯示當前監測環境的潔淨狀況。該粒子計數器按照國際標準ISO14644-1,GMP和日本工業標準(JIS)要求標定,專業應用於電子行業、製藥車間、半導體、光學或精密機械加工等潔淨室環境自動監測系統。