半导体陶瓷

陶瓷是陶器和瓷器的总称。陶瓷材料大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。电子陶瓷按特性可分为高频和超高频绝缘陶瓷、高频高介陶瓷、铁电和反铁电陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、光电陶瓷、电阻陶瓷等。按应用范围可分为固定用陶瓷、电真空陶瓷、电容器陶瓷和电阻陶瓷。按微观结构可分多晶、单晶、多晶与玻璃相、单晶与玻璃相（无玻璃相陶瓷属于固相烧结，有玻璃相陶瓷属于波相烧结）。

许多陶瓷都具有半导体性质，是所谓半导体陶瓷。电阻随温度而变化的性质，可用于非线性电阻（NTC）。铁系金属的氧化物陶瓷，电阻的温度系数为负，具有化学的和热的稳定性，可用于非线性电阻，在很宽的范围控制温度。与此相反，称为正温度系数热敏电阻（PTC热敏电阻）的元件，用的是半导体化的BaTiO3陶瓷。这种陶瓷因为在相变温度下电阻急剧增大，如果作为电阻加热元件而应用，则可在相变温度附近方便地自动控温。

半导体陶瓷除了氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等由一种化合物构成的单相陶瓷以外，还有由两种或两种以上的化合物构成的复合陶瓷。例如，由氧化铝和氧化镁结合而成的镁铝尖晶石陶瓷，由氮化硅和氧化铝结合而成的氧氮化硅铝陶瓷，由氧化铬、氧化镧和氧化钙结合而成的铬酸镧钙陶瓷，由氧化锆、氧化钛、氧化铅、氧化镧结合而成的锆钛酸铅镧（PLZT）陶瓷等等。

发展动向可参见http://baike.baidu.com/view/283565.html?tp=6_01

半导体分立器件自从20世纪50年代问世以来，曾为电子产品的发展发挥了重要的作用。现在，虽然集成电路已经广泛应用，并在不少场合取代了晶体管，但是应该相信，晶体管到任何时候都不会被全部废弃。因为晶体管有其自身的特点，还会在电子产品中发挥其他元器件所不能取代的作用，所以晶体管不仅不会被淘汰，而且还将有所发展。

1　半导体分立器件的命名

按照国家规定，国内半导体分立器件的命名由五部分组成，如表3-9所示。例如2AP9，“2”表示二极管，“A”表示N型锗材料，“P”表示普通管，“9”表示序号。又如3DG6，“3”表示三极管，“D”表示NPN硅材料，“G”表示高频小功率管，“6”是序号。

有些小功率晶体三极管是以四位数字来表示型号的，具体特性参数如表3-10所示。

近年来，国内生产半导体器件的各厂家纷纷引进外国的先进生产技术，购入原材料、生产工艺及全套工艺标准，或者直接购入器件管芯进行封装。因此，市场上多见的是按照国外产品型号命名的半导体器件，符合国家标准命名的器件反而买不到。在选用进口半导体器件时，应该仔细查阅有关资料，比较性能指标。

2　二极管

按照结构工艺不同，半导体二极管可以分为点接触型和面接触型。点接触型二极管PN结的接触面积小，结电容小，适用于高频电路，但允许通过的电流和承受的反向电压也比较小，所以适合在检波、变频等电路中工作；面接触型二极管PN结的接触面积较大，结电容比较大，不适合在高频电路中使用，但它可以通过较大的电流，多用于频率较低的整流电路。

表3-9　国产半导体分立器件的命名

注：fa为工作频率，Pc为工作功率。

表3-10　通用型小功率三极管

注：fT为工作频率。

半导体二极管可以用锗材料或硅材料制造。锗二极管的正向电阻很小，正向导通电压约为0.15～0.35V，但反向漏电流大，温度稳定性较差；硅二极管的反向漏电流比锗二极管小得多，缺点是需要较高的正向电压（0.5～0.7V）才能导通，只适用于信号较强的电路。

二极管应该按照极性接入电路，大部分情况下，应该使二极管的正极（或称阳极）接电路的高电位端，而稳压管的负极（或称阴极）要接电源的正极，其正极接电源的负极。

1）常用二极管的外形和符号

常用二极管的外形和符号如图3-16所示。

图3-16　常用二极管的符号

2）常用二极管的特性

常用的二极管的特性及用途在表3-11中列出。

表3-11　常用的二极管的特性及用途

3）二极管的识别与检测

二极管有多种封装形式，目前比较常用的有塑料封装和玻璃壳封装。老式的大功率、大电流的整流二极管仍采用金属封装，并且有装散热片的螺栓。玻璃封装的二极管可能是普通二极管或稳压二极管，在目测没有把握辨别的情况下，要依靠万用表或者专用设备来区分。因为玻璃封装的稳压二极管和普通二极管外形一样，不同的二极管在电路中起的作用是不同的，特别是稳压二极管，它的最大特点就是工作在反向连接状态。

（1）从标记识别。

①外壳上有二极管的符号，箭头的方向就是电流流动的方向，故箭头指的方向为负极。如图3-17所示，为二极管的单向导电性。

②封装成圆球形的，一般用色点表示的，色点处为阴极。封装成柱状的，靠近色环（通常为白色）的引线为负极。

（2）数字万用表检测。

用数字式万用表可以很方便地判断出二极管的极性，如图3-18所示，方法是：将数字万用表拨到二极管挡，将红表笔插入万用表的V/?插孔，黑表笔插入COM插孔，然后分别用两表笔接触二极管的两个电极，正反向交换表笔各测一次，在其中的一次测量中显示屏上具有600～750之间（硅管）或200～400之间（锗管）的读数，这时红表笔所接触的电极就是二极管的正极（即PN结的P端），黑表笔接触的电极就是负极（即PN结的N端）。

图3-17　二极管的单向导电性

图3-18　二极管的测量

发光二极管的测量与一般二极管测量类似，只是其正向电压在1.5～3V之间，工作电流在1mA左右。发光二极管工作时一定要接上限流电阻。

3　三极管

晶体三极管又称为双极型三极管（因有两种载流子同时参与导电而得名）。它是一种电流控制电流的半导体器件，可用来对微弱的信号进行放大和做无触点开关。

1）三极管的分类

（1）按材料分：三极管按材料不同可分为锗三极管（Ge管）和硅三极管（Si管）。

（2）按导电类型分：三极管按导电类型不同可分为PNP型和NPN型，分别用不同的符号表示电压极性与电流流动方向。锗管多为PNP型，硅管多为NPN型。

（3）按用途分：依工作频率不同分为高频（fT>3MHz）、低频（fT<3MHz）和开关三极管。依工作功率不同又可分为大功率（Pc>1W）、中功率（Pc在0.5～1W）、小功率（Pc<0.5W）三极管。

2）三极管的电路符号

常用三极管的电路符号如图3-19所示。

图3-19　常用三极管的电路符号

3）三极管的检测方法

（1）判断基极用数字万用表判断三极管基极的方法是：首先将数字万用表的转换开关置于二极管挡。红、黑表笔按正确的方法插到相应插孔（红表笔插V/Ω，黑表笔插COM）。记住：数字万用表的红表笔接内部电池的正极。然后用表笔分别触三极管的三个电极，总能找到其中一个电极对另外两个电极读数为0.5～0.8V（硅管）或0.15～0.35V（锗管），该电极就是基极。

（2）E、C极的判断。

一般万用表都具备测放大倍数的功能，先将万用表的功能开关选在hFE挡，将三极管按极性（PNP、NPN）插入测试孔中，这时可从表头刻度盘上直接读放大倍数值。然后将E极、C极对调一下，看表针偏转较大的那一次，插脚就是正确的，从万用表插孔旁标记即可判别出是发射极还是集电极。另外在测量基极时，也可以得到D、E的读数大于B、C的读数，虽然很接近，但总是有微小差别的。

数字式万用表测量三极管的方法，在第五节常用仪器仪表简介中“万用表的使用”一部分进行介绍。

4　集成电路

集成电路是继电子管、晶体管之后发展起来的又一类电子器件。它是利用半导体工艺或厚膜、薄膜工艺（或这些工艺的结合），将电阻、电容、二极管、三极管等元器件，按照设计电路的要求，共同制作在一块硅或绝缘基体上，成为具有特定功能的电路，然后封装而成。集成电路是最能体现电子工业日新月异、飞速发展的一类电子器件。集成电路种类繁多，要想熟悉各种集成电路几乎是不可能的，实际上也没必要，但要了解一些基本的集成电路。

1）集成电路的分类

集成电路按其结构和工艺方法的不同，可分为半导体集成电路、薄膜集成电路、厚膜集成电路和混合集成电路。其中发展最快、品种最多、应用最广的是半导体集成电路。

用平面工艺（氧化、光刻、扩散、外延工艺）在半导体晶片上制成的电路称为半导体集成电路（也称为单片集成电路）。

用厚膜工艺（真空蒸发、溅射）或薄膜工艺（丝网印刷、烧结）将电阻、电容等无源元件连接制作在同一片绝缘衬底上，再焊接上晶体管管芯，使其具有特定的功能，称作厚膜或薄膜集成电路。如果再装上单片集成电路，则成为混合集成电路。

2）集成电路的封装

集成电路的封装可分为：金属外壳、陶瓷外壳和塑料外壳三类。其中较常见的是用陶瓷和塑料封装的单列直插式和双列直插式两种。

金属封装的散热性能好，可靠性高，但安装使用不够方便，成本较高。这种封装形式常见于高精度集成电路或大功率器件。陶瓷封装的散热性差，体积小，成本低。塑料封装的最大特点是工艺简单、成本低，因而被广泛使用。

随着集成电路品种规格的增加和集成度的提高，电路的封装已经成为一个专业性很强的工艺技术领域。现在，国内外的集成电路封装名称逐渐趋于一致，不论是陶瓷材料的还是塑料材料的，均按照集成电路的引脚布置形式来区分，常见集成电路的封装形式如图3-20所示。

3）引脚

集成电路引脚排列顺序的标志一般有色点、凹槽、管键及封装时压出的圆形标志。对于双列直插集成块，引脚的识别方法是：将集成电路水平放置，引脚向下，标志在左边，左下角第一个引脚为1脚，然后逆时针方向数，依次为2，3，…，如图3-20所示。

图3-20　常见集成电路的封装

对于单列直插式集成电路也让引出脚朝下，标志朝左边，从左下角第一个引出脚到最后一个引出脚依次为1，2，3，…。

4）集成电路的使用常识

集成电路是一种结构复杂、功能多、体积小、价格贵、安装与拆卸麻烦的电气器件，在选购、检测和使用中应十分小心。

（1）使用前要搞清楚集成电路的功能、引脚功能、外形封装等。

（2）安装集成电路要注意方向，不同型号之间的互换应更加注意。

（3）对功率型集成电路要有足够的散热器，并尽量远离热源。

（4）切忌带电拔插集成电路。

（5）在手工焊接电子产品时，一般应该最后装配焊接集成电路，不得使用大于45W的电烙铁，每次焊接时间不得超过10s。

梳理半导体上游材料公司芯片的上游材料，其实在介绍国家基金二期的文章里也简单提到过。今天我们再做一次物质面的全面梳理。半导体材料包括光刻胶、靶材、特殊气体等。，这个应该很多朋友都知道。目前这些半导体材料只有15%左右是国产的。在国外封锁相关产业链的情况下，国内替代仍然是重点。从机构披露的报告来看，半导体上游材料的报告数量在增加，未来国产化趋势仍将持续。这些材料可分为三类:基础材料、制造材料和包装材料。基本材料基本上，材料可以分为硅片和化合物半导体。硅片是集成电路制造过程中最重要的原材料。相关上市公司:上海新阳、晶盛机电、中环股份。化合物主要指砷化镓(gaas)、氮化镓(gan)和碳化硅(sic)等。最近热炒的氮化镓也在其中，所以并不新鲜。上市公司:三安光电、文泰科技、海特高新、士兰威、福满电子、耐威科技、海陆重工、云南锗业、赣兆光电等。制造材料。制造材料可分为六大类:电子专用气体、溅射靶材、光刻胶、抛光材料、掩膜、湿式电子化学品。电子特种气体特种气体是特种气体的一个重要分支，是集成电路(ic)、显示面板(LCD、有机发光二极管)、光伏能源、光纤电缆等电子工业生产中不可或缺的原料。它广泛应用于薄膜、光刻、刻蚀、掺杂、气相沉积、扩散等工艺中，其质量对电子元器件的性能有重要影响。相关上市公司:华特燃气、雅克科技、南大光电、杭氧股份。溅射靶在高科技芯片产业中，溅射靶材是VLSI制造的必备原材料。它利用离子源产生的离子在高真空中加速聚集形成高速离子束，轰击固体表面。离子与固体表面上的原子交换动能，使得固体表面上的原子离开固体并沉积在基底表面上。被轰击的固体是溅射沉积薄膜的原料，称为溅射靶。靶材是溅射工艺的核心材料。目前a股市场从事溅射靶材的上市公司只有四家:阿诗创、友研新材、江峰电子、龙华科技。光刻胶光刻胶是电子领域微图形加工的关键材料，在半导体、LCD、PCB等行业的生产中发挥着重要作用。光刻胶是通过光化学反应将所需精细图形从掩膜版转移到加工基板上的图形转移介质，是光电信息产业中精细图形电路加工的关键材料。上市公司:南大光电、李强新材料、景瑞、荣达光敏、金龙机电、飞凯材料、江华微等光泽剂一般指cmp化学机械抛光工艺中使用的材料，一般可分为抛光垫、抛光液、调节剂和清洁剂，其中前两者最为关键。抛光垫的材料一般为聚氨酯或含饱和聚氨酯的聚酯，抛光液一般由超细固体颗粒磨料(如纳米二氧化硅、氧化铝颗粒)、表面活性剂、稳定剂、氧化剂等组成。上市公司:鼎龙(抛光垫)、安吉科技(抛光液)。掩模板又称光掩模、光掩膜、光刻掩膜，是半导体芯片光刻工艺中设计图案的载体。上市公司:菲利帕和应时。湿电子化学品又称超净高纯试剂，是指半导体制造过程中使用的各种高纯化学试剂。上市公司主要包括:多氟多、景瑞、江华微。包装材料封装材料可细分为六大类:芯片键合材料、键合线、陶瓷封装材料、引线框架、封装基板和切割材料。芯片键合材料是一种利用键合技术将芯片与基底或封装基板连接起来的材料。上市公司:飞凯材料、宏昌电子陶瓷封装材料是一种电子封装材料，用于承担电子元器件的机械支撑、环境密封和散热等功能。相关上市公司:三环集团封装基板是封装材料中最昂贵的部分，主要起到承载保护芯片，连接上层芯片和下层电路板的作用。相关公司:兴森科技、深南电路键合线，半导体用键合线，用于焊接连接芯片与支架，承担芯片与外界的关键电连接功能。相关上市公司主要有:康强电子引线框架作为半导体的芯片载体，是通过键合线实现芯片内部电路端子与外部电路(pcb)之间的电连接，形成电气回路的关键结构部件。相关上市公司:康强电子材料切割，目前主流的切割方式分为两类，一类是用划线系统切割，一类是用激光切割。相关上市公司主要有:戴乐新材料2018年，全球半导体材料销售额为519亿美元，占比矩阵材料(23.4%)、制造材料(38.7%)和封装材料(28%)。

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