為什么能把pn結(jié)用作溫度傳感器(pn結(jié)溫度傳感器原理及應(yīng)用)

前沿拓展：

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最簡單的半導(dǎo)體器件當(dāng)屬二極管，最復(fù)雜的半導(dǎo)體系統(tǒng)則是超大規(guī)模集成電路。

近年來，“集成電路”成為了熱點(diǎn)詞匯，屢屢出現(xiàn)在國家政策、新聞媒體的通稿中。而略顯低調(diào)、樸實(shí)無華的二極管，卻是集成電路技術(shù)的濫觴。半導(dǎo)體二極管所具有的PN結(jié)、肖特基結(jié)構(gòu)是集成電路中必不可少的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。本文將從二極管的視角，縱覽集成電路技術(shù)的發(fā)展歷程。

圖1 集成電路和二極管

基于熱電子發(fā)射效應(yīng)的二極管（真空二極管）

二極管具有電流單向?qū)ǖ奶匦裕O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（Frederick Guthrie）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)加熱一個(gè)接地的金屬盤時(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，愛迪生在未了解格思里的工作的情況下，也發(fā)現(xiàn)了類似的現(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)展過程中，直到1904年，愛迪生的前雇員約翰弗萊明（John Ambrose Fleming）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。

圖2 弗萊明管

圖3 李·德佛瑞斯特發(fā)明的三極管

1906年，李·德佛瑞斯特（Lee de Forest）則更進(jìn)一步，在真空二極管中加入了柵極（grid），柵極提供的額外電場可以調(diào)控陰極熱電子向陽極板的發(fā)射行為。這樣，柵極電壓就可以調(diào)控陰極的發(fā)射電流。這種新型真空管被稱為三極管。三極管具備了檢波、放大和振蕩的功能，其應(yīng)用場景被大大擴(kuò)展，并促使了第一臺現(xiàn)代意義的電子計(jì)算機(jī)埃尼阿克的誕生。

圖4 埃尼阿克計(jì)算機(jī)

然而，基于熱電子發(fā)射的真空管壽命較短、功耗高、體積大。埃尼阿克有一半的機(jī)時(shí)都浪費(fèi)在檢修損壞的真空管上，這導(dǎo)致它難以長時(shí)間地處理復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。在真空管技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)如火如荼發(fā)展的同時(shí)，研究人員也一直在尋找真空管的替代品。

半導(dǎo)體二極管

1874年，卡爾·布勞恩（Karl Ferdinand Braun）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匦裕⒅瞥闪耸讉€(gè)固態(tài)半導(dǎo)體檢波器。現(xiàn)在我們則知道，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)受到了勢壘的影響。

勢壘，簡而言之就是電荷在運(yùn)動(dòng)過程中遇到的阻礙電勢，勢壘高度越大、距離越長，電荷越不容易通過。能夠影響勢壘分布狀態(tài)的因素主要有三個(gè)：1）勢壘兩側(cè)材料的費(fèi)米能級高度（費(fèi)米能級可通過摻雜雜質(zhì)來調(diào)節(jié)）；2）勢壘兩側(cè)材料及其界面處的缺陷電荷、界面電荷；3）勢壘周圍額外施加的電場。

通過合理調(diào)控半導(dǎo)體中的摻雜雜質(zhì)類型和濃度、選擇具有合適費(fèi)米能級的金屬材料，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?/p>

圖5 基于金屬和半導(dǎo)體接觸勢壘的肖特基二極管的工作特性（僅當(dāng)正向偏置時(shí)，二極管導(dǎo)通）

圖6 基于半導(dǎo)體內(nèi)PN結(jié)勢壘的二極管的工作特性（僅當(dāng)正向偏置時(shí)，二極管導(dǎo)通）

然而半導(dǎo)體二極管的功能太有限了，研究人員也在嘗試對半導(dǎo)體二極管進(jìn)行升級。就像李·德佛瑞斯特在真空二極管中加入柵極一樣，1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利（William Shockley）、巴丁（John Bardeen）和布拉頓（Walter Brattain）在半導(dǎo)體二極管中增加了一個(gè)電極，形成了集電極、基極、發(fā)射極三極結(jié)構(gòu)，并使用基極（類似于真空三極管中的柵極）來調(diào)控發(fā)射極到集電極之間的電流。他們?nèi)酥苽涑隽说谝粋€(gè)半導(dǎo)體晶體管，他們的主管領(lǐng)導(dǎo)通過揚(yáng)聲器清晰地聽到了被這個(gè)晶體管放大后的聲音，大為震撼。相比于真空電子管，晶體管體積更小、工作性能更穩(wěn)定、壽命更長、造價(jià)更低。這一偉大的發(fā)明也獲得了1956年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

圖7 第一個(gè)三極晶體管

1950年代，電子設(shè)備中的真空管逐漸被半導(dǎo)體二極管、三極管取代。但即便使用了小型化的二極管、三極管，電子設(shè)備中的電路系統(tǒng)仍然非常復(fù)雜。德州儀器的杰克.基爾比（Jack Kilby）注意到，可以把電阻、電容、二極管、三極管等都制備在半導(dǎo)體襯底上，這將大大縮小已有電子線路的尺寸，在成本上也有巨大改善，1958年，基爾比發(fā)明了第一塊集成電路，并成功演示了它的信號發(fā)生功能。2000年，基爾比也因?yàn)檫@一偉大貢獻(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

圖8 第一塊集成電路

當(dāng)時(shí)的集成電路仍然非常簡陋，它的市場化應(yīng)用也并非一帆風(fēng)順。集成電路首先被應(yīng)用在了美國空軍的導(dǎo)彈上，此后才逐漸被民用領(lǐng)域采納。

對于三極晶體管來說，其控制極與導(dǎo)電溝道聯(lián)通，控制極上的電流白白消耗了一部分電能，三極管在大功率電流下也容易燒毀，研究者們一直希望能夠?qū)⒖刂茦O與溝道隔離開來，用絕緣電場來控制晶體管溝道的導(dǎo)通性能。受限于低水平的材料制備技術(shù)，在很長一段時(shí)間內(nèi)，研究者們沒能找到合適的絕緣材料來隔絕控制極和晶體管溝道。大多數(shù)絕緣材料會(huì)和晶體管材料形成大量的界面態(tài)電荷，這些電荷隔絕了控制極電場對溝道的控制能力。

1960年，John Atalla和Dawon Kahng發(fā)現(xiàn)，在硅片上通過高溫氧化可以制備出高質(zhì)量的氧化硅絕緣層，氧化硅和硅之間的界面態(tài)電荷可以被控制在較低水平。這兩位一流學(xué)者成功制備出了第一個(gè)金屬柵氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-oxide-semiconductor filed effect transistor，MOSFET）。

如圖9所示，MOSFET的溝道存在兩個(gè)背對背的PN結(jié)結(jié)構(gòu)，MOSFET包含柵極（gate）、源極（source）、漏極（drain）三個(gè)電極（有時(shí)候體電極也會(huì)參與工作），源極和漏極之間有一定的電勢差，柵極電壓可以調(diào)控p型溝道或n型溝道中的勢壘高度，從而調(diào)節(jié)從源極到漏極之間的電流強(qiáng)度。

圖9 第一個(gè)MOSFET專利及其器件結(jié)構(gòu)

MOSFET的發(fā)明雖然沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng)，但這一貢獻(xiàn)是劃時(shí)代的，目前幾乎所有的大規(guī)模集成電路都采用了MOSFET為基礎(chǔ)元件，MOSFET與三極管極為類似，但它的控制極（柵極）電流顯著減小。MOS結(jié)構(gòu)也非常適用于器件尺寸的小型化，隨著光刻技術(shù)的發(fā)展，MOSFET的特征尺寸在60余年間從數(shù)十微米持續(xù)下降到了10納米以下，我們所熟知的摩爾定律便是對這一過程的描述。

現(xiàn)在，集成電路技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到現(xiàn)代社會(huì)的眾多領(lǐng)域，我們衣食住行中應(yīng)用到的大量電器設(shè)備都包含了集成電路，不只是手機(jī)、電腦，汽車、高鐵、飛機(jī)乃至火箭、衛(wèi)星、空間站都離不開集成電路的硬件支持。目前正在風(fēng)口浪尖的物聯(lián)網(wǎng)、5G通訊、人工智能、元宇宙都是基于集成電路實(shí)現(xiàn)的。在未來50年乃至100年間，集成電路仍將是維持現(xiàn)代化社會(huì)穩(wěn)健發(fā)展的核心技術(shù)。

二極管在光電器件中的應(yīng)用

二極管作為半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展之路的開山鼻祖，目前在集成電路中已經(jīng)變得邊緣化，只有少量模擬電路、傳感電路仍會(huì)用到二極管。但二極管所包含的半導(dǎo)體勢壘結(jié)構(gòu)是所有半導(dǎo)體器件、集成電路必不可少的基礎(chǔ)元素。在二極管技術(shù)的根基上，不僅發(fā)展出了集成電路，二極管還被廣泛應(yīng)用于光電領(lǐng)域。

發(fā)光二極管（LED）

在能帶理論中，處在導(dǎo)帶上的電子和處在價(jià)帶中的空穴有一定的復(fù)合幾率，當(dāng)電子和空穴發(fā)生復(fù)合時(shí)，多余的能量可以以光的形式釋放出來，這樣二極管就擁有了發(fā)光的功能。

1907年，在馬可尼實(shí)驗(yàn)室工作的亨利·朗德（Henry Round）觀察到了碳化硅二極管的發(fā)光現(xiàn)象。1920年代，蘇聯(lián)科學(xué)家奧列格·V·洛謝夫（Oleg V.Losev）發(fā)現(xiàn)通過電流的整流二極管會(huì)發(fā)光，并記錄了二極管發(fā)光的電流閾值和發(fā)光光譜。1962年，香檳大學(xué)的NickHolonyak發(fā)明了可以發(fā)出紅光的磷砷化鎵二極管。此后，產(chǎn)業(yè)界開始逐步使用發(fā)光二極管（LED）作為特定波長光源或者照明光源。目前常用的白光LED是基于GAN材料制備的，其能帶結(jié)構(gòu)如圖10所示，通過在PN結(jié)區(qū)增加周期排列的勢壘陷阱，可以增強(qiáng)電子空穴復(fù)合幾率，從而增強(qiáng)電光轉(zhuǎn)換效率。除了特定波長激光器、照明LED，我們常見的OLED手機(jī)屏幕（采用了有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體）也是基于發(fā)光二極管制成的。

圖10 發(fā)光二極管（LED）的能帶示意圖和LED產(chǎn)品

感光二極管

除了會(huì)發(fā)光，二極管還可以用來探測光。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，Charles Fritts制備出了第一塊太陽能電池，經(jīng)過一百多年的發(fā)展，太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率得到了顯著提升。現(xiàn)在，太陽能已經(jīng)成為一種重要的清潔能源。

圖11 二極管的光電轉(zhuǎn)換能帶示意圖及相關(guān)產(chǎn)品

二極管的光電轉(zhuǎn)換特性還被應(yīng)用到了攝像領(lǐng)域。現(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。當(dāng)我們通過屏幕將電信號轉(zhuǎn)換為光信號時(shí)，我們就看到了攝像機(jī)拍攝的照片。

參考資料：

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17. https://www.researchgate.net/figure/Energy-band-diagram-of-the-UV-LED-at-forward-bias_fig2_330894502

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22. https://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaic_effect

來源：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所

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