上海輝鑠電子科技有限公司與您分享二極管到集成電路與半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)化之路

二極管具有電流單向?qū)ǖ奶匦?，二極管可大致分為半導(dǎo)體二極管和真空二極管。半導(dǎo)體二極管是制作在半導(dǎo)體材料上的，并不具有實(shí)際的管狀結(jié)構(gòu)，而早期的二極管卻真真切切地是被制作在玻璃管中的，它的工作原理也和半導(dǎo)體二極管不同。

1873年，弗雷德里克·格思里發(fā)現(xiàn)：當(dāng)加熱一個(gè)接地的金屬盤(pán)時(shí)，其旁邊帶正電的驗(yàn)電器會(huì)逐漸流失電荷;而當(dāng)金屬盤(pán)靠近帶負(fù)電的驗(yàn)電器時(shí)，則不會(huì)有電荷流失。該現(xiàn)象表明加熱的金屬陰極可表現(xiàn)出單向?qū)щ娞匦裕?880年，愛(ài)迪生在未了解格思里的工作的情況下，也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的現(xiàn)象。

現(xiàn)在我們明白，這種現(xiàn)象是由于被加熱物體的電子逸出功降低，更容易在外界電場(chǎng)的作用下逸散到外界導(dǎo)致的。但當(dāng)時(shí)的物理理論還在發(fā)展過(guò)程中，直到1904年，愛(ài)迪生的前雇員約翰弗萊明才真正利用了這一效應(yīng)，發(fā)明了可以檢波的二極管——弗萊明管。

1874年，卡爾·布勞恩發(fā)現(xiàn)，某些金屬硫化物（半導(dǎo)體）在與金屬接觸后，會(huì)表現(xiàn)出一定的單向?qū)ㄌ匦?，并制成了固態(tài)半導(dǎo)體檢波器。這種檢波器其實(shí)是一種肖特基二極管。

此后，人們沿著布勞恩的思路，陸續(xù)試驗(yàn)了多種材料，但都沒(méi)有明確的理論指導(dǎo)。在20世紀(jì)30年代，隨著量子力學(xué)的發(fā)展和成熟，布洛赫解釋了電子在半導(dǎo)體的周期型晶格中的運(yùn)動(dòng)方式，阿蘭·威爾遜則提出了能帶理論。研究者們獲得了強(qiáng)大的理論武器，終于明白電子在半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)受到了勢(shì)壘的影響。

勢(shì)壘，簡(jiǎn)而言之就是電荷在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到的阻礙電勢(shì)，勢(shì)壘高度越大、距離越長(zhǎng)，電荷越不容易通過(guò)。能夠影響勢(shì)壘分布狀態(tài)的因素主要有三個(gè)：1）勢(shì)壘兩側(cè)材料的費(fèi)米能級(jí)高度（費(fèi)米能級(jí)可通過(guò)摻雜雜質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)）；2）勢(shì)壘兩側(cè)材料及其界面處的缺陷電荷、界面電荷；3）勢(shì)壘周?chē)~外施加的電場(chǎng)。

通過(guò)合理調(diào)控半導(dǎo)體中的摻雜雜質(zhì)類(lèi)型和濃度、選擇具有合適費(fèi)米能級(jí)的金屬材料，研究者們制備出了性能更好的肖特基二極管、PN結(jié)二極管。二極管兩側(cè)的電壓則可以改變二極管勢(shì)壘的高度和寬度，使電荷在二極管中的流通變得更困難或更容易，從而實(shí)現(xiàn)二極管的單向?qū)ㄌ匦浴?

除了會(huì)發(fā)光，二極管還可以用來(lái)探測(cè)光。當(dāng)具有一定能量的光子入射到二極管中時(shí)，光子能量會(huì)引起部分電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在PN結(jié)內(nèi)建勢(shì)壘的作用下，導(dǎo)帶上的電子和價(jià)帶上的空穴自發(fā)流向能量較低的電極，從而形成了光電流，完成了光能到電能的轉(zhuǎn)化。1884年，查爾斯·弗里茨制備出了太陽(yáng)能電池，經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率得到了明顯提升。現(xiàn)在，太陽(yáng)已經(jīng)成為一種重要的清潔能源。

二極管的光電轉(zhuǎn)換特性還被應(yīng)用到了攝像領(lǐng)域?，F(xiàn)代電子攝像機(jī)的感光元件是由感光像素陣列組成的，通過(guò)在每個(gè)像素上設(shè)置較大面積占比的感光PN結(jié)，就可以將每個(gè)像素感應(yīng)到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)我們通過(guò)屏幕將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)時(shí)，我們就看到了攝像機(jī)拍攝的照片。

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