基本的半导体器件有哪些?它们的结构、工作原理、功能特点?

基本的半导体器件主要有以下几种：pn结二极管，金属氧化物场效应晶体管（MOS）,双极晶体管（BJT）,结型场效应晶体管。pn结二极管结构：其中pn结二极管由n型半导体和p型半导体接触产生。工作原理：由于二者接触后产生由n型半导体指向p型半导体的内建电场，当外加电压由n型半导体指向p型半导体时进一步增强了其内建电场，因而其电流会很小，当外加电压由p型指向n型时，内建电场降低，电流可顺利通过pn结，形成单向导电的特性。MOS结构：主要由栅极，漏极及源极三部分构成。工作原理：通过栅极控制沟道载流子浓度实现对源极及漏极电流的控制。BJT结构：由发射极，基极，集电极构成。基本原理：通过控制发射极与基极之间的电压以及集电极与基电极之间的电压实现电流的放大，截至等效应。结型场效应晶体管：与MOS构成类似，不同点仅在于其栅极位于沟道的上下两侧。工作原理：上下栅极同时控制沟道的载流子浓度及沟道的宽度实现对电流的控制。

半导体的作用是成为信息处理的元件材料。目前世界上很多电子产品，如计算机、移动电话、数字录音机的核心单元都是利用半导体的电导率变化来处理信息。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力。半导体还可以制成的部件、集成电路等是电子工业的重要基础产品。半导体材料、器件、集成电路的生产和科研已成为电子工业的重要组成部分。集成电路它是半导体技术发展中最活跃的一个领域，已发展到大规模集成的阶段。在几平方毫米的硅片上能制作几万只晶体管，可在一片硅片上制成一台微信息处理器，或完成其它较复杂的电路功能。集成电路的发展方向是实现更高的集成度和微功耗，并使信息处理速度达到微微秒级。微波器件半导体微波器件包括接收、控制和发射器件等。毫米波段以下的接收器件已广泛使用。在厘米波段，发射器件的功率已达到数瓦，人们正在通过研制新器件、发展新技术来获得更大的输出功率。电子器件半导体发光、摄象器件和激光器件的发展使光电子器件成为一个重要的领域。它们的应用范围主要是：光通信、数码显示、图像接收、光集成等。

一个关键的晶体管部件是由一张石墨烯的边缘制成的。

刻蚀在硅上的晶体管不断缩小的特性，一直需要推动制造技术的前沿。然而，像石墨烯和碳纳米管这样的原子薄材料的发现，提出了用这些材料的自然属性，取代我们的制造需求的前景。如果，你可以简单地使用1纳米宽的碳纳米管，就没有必要在硅中蚀刻1纳米的特征。

目前已经取得了一些显著的成功，例如一个由单个碳纳米管制成的1纳米栅极。但这项工作通常涉及一个困难的过程，即如何将原子状的薄材料放置在合适的位置，从而制造出功能性设备。而其余的硬件，通常是用从更传统的晶体管设计中借来的笨重材料制成的。

然而，本周发表的一篇新研究论文描述了一种创纪录的设计，它拥有迄今为止最小的晶体管栅长。这一纪录是由石墨烯薄片的边缘创造的，这意味着栅极只有一个碳原子。而且，通过在关键部件上使用第二种原子级薄的材料（加上巧妙的零件安排），设计团队已经确保了整个晶体管易于制造且相对紧凑。

走向原子化

标准的晶体管设计包括两个导电电极：源极和漏极，由一块半导体隔开。半导体的状态，意味着它是导电的还是绝缘的，是由第三个导电电极设定的，这个电极叫做栅极。虽然有许多衡量晶体管大小的标准，但栅极长度是最重要的标准之一。

硅可能是最著名的半导体，但也有原子薄型半导体。在这些材料中，最突出的是二硫化钼。虽然由于化学键的排列，二硫化钼没有单个原子那么薄，但它仍然非常紧凑。考虑到它具有有用的性能、良好的特性和易于使用的特点，研究人员使用二硫化钼作为他们的半导体材料。源电极和漏电极只是接触二硫化钼的简单的金属条。

在以前的1纳米器件中，栅极是由单个碳纳米管制成的。想变得更小是困难的，但也不是不可能。石墨烯薄片就像扁平的碳纳米管：一片连接在一起的碳原子。虽然薄片的长度和宽度比纳米管大得多，但其厚度只有一个碳原子的厚度。所以，如果你可以使用石墨烯的边缘作为栅极，你可以得到一个非常小的栅极长度。

然而，所有这些材料已经被用于无数的测试设备。这项新工作的秘密在于它们是如何安排的。这种安排的一部分只是为了让石墨烯片的边缘在正确的方向上起到栅极的作用。但这种设计的一个显著的好处是，它很容易制造，因为它不需要非常精确定位的原子薄材料。

巧妙的几何学

为了制造这种设备，研究人员从硅和二氧化硅层开始。硅是纯结构性的 —— 晶体管本身不含硅。石墨烯片被层在硅和二氧化硅上，形成栅极材料。在此之上，研究人员放置了一层铝。虽然铝是一种导体，但研究人员让它在空气中停留几天，在此期间其表面氧化成氧化铝。所以，石墨烯薄片的底部表面是二氧化硅，顶部覆盖着氧化铝，两者都是绝缘体。这将石墨烯边缘与晶体管硬件的其余部分隔离开来。

为了以有用的方式暴露石墨烯的边缘，研究人员简单地沿着铝的边缘蚀刻到下面的二氧化硅中。这切开石墨烯片，露出可用作栅极的线性边缘。此时，整个器件被一层薄薄的氧化铪覆盖，这是一种绝缘体，在栅极和其他硬件之间提供了一点空间。

上图：设备的结构图。黑色为二氧化硅基材，蓝色为石墨烯，红色为铝/氧化铝层，黄色为二氧化钼。氧化铪层没有显示出来。

接下来，二硫化钼半导体薄片被铺在整个（现在的三维）结构上。因此，石墨烯的边缘（现在嵌在设备垂直部分的壁上）靠近二硫化钼。石墨烯的边缘现在就可以作为控制半导体导电性的栅极。栅极的长度也就是石墨烯片的厚度 —— 单个碳原子，即 0.34 纳米。

从那里，该团队简单地将源极和漏极放置在栅极的两侧。三维布局让这变得容易。源放在顶部，漏极放在底部，中间是垂直的墙。（研究人员称他们的设备为侧壁晶体管，因为栅极位于侧壁的中间。）

不仅仅是设计

虽然，该器件的很多特性都是通过建模得到的，但研究人员显然已经制造了几十个晶体管。 其中一些是为了成像和确认材料是否都在基于制造过程的预期位置而牺牲的。但另一些则被用来证明硬件确实能像晶体管一样工作，尽管，它需要相当高的电压才能做到这一点。它的泄漏量也足够低， 适用于低功率 *** 作。

当然，研究人员提出了各种改进晶体管的方法。但这些早期演示设备的性能有点偏离重点，超出了它的功能性。

真正重要的事情是，研究人员找到了一种方法，真正利用最小尺寸的原子薄材料作为功能晶体管的一部分。当石墨烯和硫化钼被添加到设备中时，他们不需要特别精确的定位就能做到这一点。这部分是因为需要精确定位的石墨烯部分（边缘），是通过蚀刻产生的。 而且二硫化钼的位置必须足够好，以覆盖栅极并延伸到可以连接源极和漏极的位置。

当然，要制造数十亿个基于这种结构的设备，我们还需要很长一段时间才能做到易于定位。但这肯定是实现目标的必要步骤。

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