其他半导体和传感器器件简介

1.太阳能电池

半导体光电器件是指把光和电这两种物理量联系起来，使光和电互相转化的新型半导体器件。即利用半导体的光电效应（或热电效应）制成的器件。光电器件主要有，利用半导体光敏特性工作的光电导器件，利用半导体光伏打效应工作的光电池和半导体发光器件等。

以太阳能光电板为例。太阳能电池是由P型半导体和N型半导体结合而成，N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，当P型和N型半导体结合时在结合处会形成电势当芯片在受光过程中，带正电的空穴往P型区移动，带负电子的电子往N型区移动，在接上连线和负载后，就形成电流。一般太阳能光电板分为单晶硅光电板，多晶硅光电板，非晶硅光电板这几类。

单晶硅太阳能板的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是所有种类的太阳能板中光电转换中单晶硅太阳能板效率最高的，但因制作成本很大，所以还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。

多晶硅太阳能板的制作工艺与单晶硅太阳能板差不多，但其光电转换效率则相对降低不少，多晶太阳能板光电转换效率约为12%。从制作成本上来讲，它比单晶硅太阳能板要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得以大量发展。此外，多晶硅太阳能板的使用寿命也比单晶硅太阳能板短。从性价比来讲，单晶硅太阳能板相对还略好些。

非晶硅太阳电板是1976年出现的新型薄膜式太阳能板，它与单晶硅和多晶硅太阳能板的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低。它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳能板存在的主要问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。

2.LED发光二极管的简介及发展现状

半导体发光二极管是常用电子元件二极管中的一种类型。发光二极管又称光发射二极管（light emitting diode，简称LED），是一种可将电能变为光能的一种器件，属于固态光源。世界上于1960年前后制成GaP发光二极管，于1970年后开始进入市场。当时的LED以红色为主，由于光效率较低，光通量很小，因此只能在电器设备和仪器仪表上作为指示灯使用。随着管芯材料、结构、封装技术和驱动电路技术的不断进步，LED光色种类的增加，发光效率和光能量的提高，目前LED已在科研和生产领域得到了广泛的应用，产业建设快速发展，市场应用数量增长迅猛。尤其是近年来高光效、高亮度的白色LED的开发成功，使得LED在照明领域的应用成为可能。人们普遍认为，LED在不久的将来将部分代替传统的白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯，成为一种新型的照明光源，那将是一场照明领域的革命。

用于照明的电光源，根据发光的机理主要可分为热辐射光源、气体放电光源和场致发光光源等几大类。目前广泛应用的是以白炽灯为代表的热辐射光源和以荧光灯为代表的气体放电光源，而场致发光则是一种正在发展中的新型面光源。场致发光又称为电致发光，根据发光原理的区别，场致发光有本征场致发光和注入式场致发光之分，半导体发光二极管的发光为注入式场致发光，是一种固体在电场作用下直接发光的一种现象。

（1）半导体发光二极管发光原理。发光二极管是由Ⅲ～Ⅳ簇化合物，如GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结，因此它具有一般p-n结的I-U特性，即正向导通，反向截止，击穿特性；此外在一定的条件下，它还具有发光特性。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于p-n结阻挡层的限制，在常态下，两者不能发生自然复合。当在发光二极管p-n结上加正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入N区，N区的电子注入P区。于是在p-n结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇复合时会把多余的能量释放并以发光的形式表现出来，从而把电能直接转化成光能，这种复合所发出的光属于自发辐射（见图3-20）。当在发光二极管的p-n结上加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

图3-20　半导体发光二极管发光原理

严格来说二极管发光有二种：第一种是注入的电子与价带空穴的复合是在P区中发生，则可直接复合产生发光；或者注入的电子先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光，这种情况下发出的光为可见光。第二种是注入的电子有一些被非发光中心捕获，而后再与空穴复合，由于释放的能量不大，虽然能够发光，但所发出的光是不可见的，即不可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在扩散区内发光的，所以光仅在靠近p-n结数1 mm以内产生。发光的波长取决于材料的价带宽度，如选用不同价带宽度的半导体材料，就可以制造出发光颜色不同的发光二极管。现在常见的有红、黄、绿、蓝发光二极管，其中蓝色发光二极管生产的技术要求较高，因此价格高，使用不是很普遍。发光二极管发光亮度可以通过工作电压（电流）的大小来调节，在很宽的工作电流范围内，发光二极管的发光亮度与工作电流大小呈线性关系。

（2）发光二极管的分类。发光二极管的种类很多，按发光材料来区分有磷化镓（GaP）发光二极管、磷砷化镓（GaAsP）发光二极管、砷铝镓（GaAIAs）发光二极管等；按发光颜色来分有发红光、黄光、绿光以及眼睛看不见的红外发光二极管等；若按功率来区别可分为小功率（HG 400系列）、中功率（HG50系列）和大功率（HG52系列）发光二极管；另外还有多色、变色发光二极管等。

（3）半导体发光二极管的特点。LED是半导体器件通过p-n结实现电光转换。它有如下特点。

一是安全、节能、不引起环境污染。发光二极管的正向工作电压低，为1.5～3.0V，工作电流小，为5～150 mA，由此工作安全性好。随着技术的进步，它将成为一种新型的照明光源。目前白光LED的光效已经达到40 lm/W，优于白炽灯，次于荧光灯（60～100 lm/W），按现在LED技术发展的速度预测，2010—2015年，白光LED的光效将达到150～200 lm/W，超过所有照明光源的光效。此外，现在使用的白炽灯工作的过程中，发出过多的热量，影响环境温度；而现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞，这样在发光过程和废弃的灯管都会对人体的人身健康和环境造成危害。而LED则没有这些问题，是一种无污染的光源。

二是寿命长、响应快。一般来讲，普通白炽灯的寿命约为1000 h，荧光灯寿命约1万小时，而LED的寿命可达到2万～10万小时。LED发光的响应快，它的响应时间为纳秒级，而荧光灯一般为毫秒级。

三是体积小、结构牢固。LED是用环氧树脂封装固态光源，其结构既不像白炽灯有玻璃泡、灯丝等易损坏部件，也不像荧光灯有体积大的灯管和附件，它是一种全固体结构，因此能经得起震动、冲击而不至损坏，而且体积也相对减小，重量也轻，成本低。(www.xing528.com)

综上所述，LED是一种符合绿色照明要求的光源。所谓“绿色照明”的概念就是通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明产品，改善提高人们工作、生活、学习的条件和质量，从而创造一个高效、安全、经济、健康有益的环境并充分体现现代要求的照明。

3.MEMS微机电系统

微机电系统（micro electro mechanical systems，MEMS）面对日益严峻的市场挑战，如何强化消费性电子产品差异性，创造令人爱不释手的使用者体验，已是开发人员的当务之急。MEMS是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。比它更小的，在纳米范围的类似的技术被称为奈机电系统。微机电系统在日本被称作微机械，在欧洲被称作微系统。

微机电系统与分子纳米技术或分子电子学的超前概念不同。微机电系统由尺寸为1～100μm（0.001～0.1 mm）的部件组成，而且微机电设备的尺寸通常在20μm～1 mm之间。它们内部通常包含一个微处理器和若干获取外界信息的微型传感器。在这种尺寸范围下，经典物理基本定律通常不适用，而且由于微机电系统，诸如静电和浸润等表面效应要比惯性和比热等体效应大很多。

微机电系统的加工技术由半导体加工技术改造而来，使其可以应用到实际当中，而后者一般用来制造电子设备。

微机电系统是指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。主要由传感器、作动器（执行器）和微能源三大部分组成。

（1）微机电系统特点与常见应用：①与半导体电路相同，使用刻蚀、光刻等制造工艺，不需要组装、调整；②进一步可以将机械可动部、电子线路、传感器等集成到一片硅板上；③它很少占用地方，可以在一般的机器人到不了的狭窄场所或条件恶劣的地方使用；④由于工作部件的质量小，高速动作可能；⑤由于它的尺寸很小，热膨胀等的影响小；⑥它产生的力和积蓄的能量很小，本质上比较安全。

（2）微机电系统的优势主要表现在以下四个方面：

一是经济利益：①大批量的并行制造过程；②系统级集成；③封装集成；④与IC工艺兼容。

二是技术利益：①高精度；②重量轻，尺寸小；③高效能。

三是微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。

四是可实现多种创新功能设计如直觉式的操作界面，并有助简化生产流程、降低制造成本，进而提升产品附加价值。

4.MEMS主要分类

（1）传感技术。传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。它包括速度、压力、湿度、加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器。按种类分主要有：面阵触觉传感器、谐振力敏感传感器、微型加速度传感器、真空微电子传感器等。传感器的发展方向是阵列化、集成化、智能化。由于传感器是人类探索自然界的触角，是各种自动化装置的神经元，且应用领域广泛，未来将备受世界各国的重视。

（2）生物技术。生物MEMS技术是用MEMS技术制造的化学/生物微型分析和检测芯片或仪器，有一种在衬底上制造出的微型驱动泵、微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量、增扩器、反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯片。可以实现样品的进样、稀释、加试剂、混合、增扩、反应、分离、检测和后处理等分析全过程。它把传统的分析实验室功能微缩在一个芯片上。生物MEMS系统具有微型化、集成化、智能化、成本低的特点。功能上有获取信息量大、分析效率高、系统与外部连接少、实时通信、连续检测的特点。国际上生物MEMS的研究已成为热点，不久将为生物、化学分析系统带来一场重大的革新。

（3）光学技术。随着信息技术、光通信技术的迅猛发展，MEMS发展的又一领域是与光学相结合，即综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术，开发新型光器件，称为微光机电系统（MOEMS）。它能把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起，形成一种全新的功能系统。MOEMS具有体积小、成本低、可批量生产、精确驱动和控制等特点。较成功的应用科学研究主要集中在两个方面：一是基于MOEMS的新型显示、投影设备，主要研究如何通过反射面的物理运动来进行光的空间调制，典型代表为数字微镜阵列芯片和光栅光阀：二是通信系统，主要研究通过微镜的物理运动来控制光路发生预期的改变，较成功的产品有光开关调制器、光滤波器及复用器等光通信器件。MOEMS是综合性和学科交叉性很强的高新技术，开展这个领域的科学技术研究，可以带动大量的新概念的功能器件开发。

（4）射频技术。射频MEMS技术传统上分为固定的和可动的两类。固定的MEMS器件包括本体微机械加工传输线、滤波器和耦合器等。可动的MEMS器件包括开关、调谐器和可变电容。按技术层面又分为由微机械开关、可变电容器和电感谐振器组成的基本器件层面；由移相器、滤波器和VCO等组成的组件层面；由单片接收机、变波束雷达、相控阵雷达天线组成的应用系统层面。

随着时间的推移和技术的逐步发展，MEMS所包含的内容正在不断增加，并变得更加丰富。1998年的《IEEE论文集》（MEMS专辑）中将MEMS的内容归纳为：集成传感器、微执行器和微系统。人们还把微机械、微结构、灵巧传感器和智能传感器归入MEMS范畴。制作MEMS的技术包括微电子技术和微加工技术两大部分。微电子技术的主要内容有：氧化层生长、光刻掩膜制作、光刻选择掺杂（屏蔽扩散、离子注入）、薄膜（层）生长、连线制作等。微加工技术的主要内容有：硅表面微加工和硅体微加工（各向异性腐蚀、牺牲层）技术、晶片键合技术、制作高深宽比结构的LIGA技术等。利用微电子技术可制造集成电路和许多传感器。微加工技术很适合于制作某些压力传感器、加速度传感器、微泵、微阀、微沟槽、微反应室、微执行器、微机械等。这就能充分发挥微电子技术的优势，利用MEMS技术大批量、低成本地制造高可靠性的微小卫星。