大家好，我是小七，今天给大家分享一篇关于半导体的文章。（相关信息来源于Robert Elder）
晶体管每个人都知道 CPU 中有“晶体管”，但你真的见过晶体管吗？这是所谓的“TO-92 封装”中的单个晶体管：
晶体管是一种通用组件，可用于切换或放大电信号：
如果你把它砸开，它看起来是这样的：
这是晶体管封装内似乎是一小块硅的特写：
闪存你以前可能使用过类似这样的“USB 闪存驱动器”、“microSD 卡”或“SD 卡”：
这是你打开一个时的样子：
如果你将其进一步粉碎，这就是封装的“芯片”的外观。注意闪亮的银色部分：
这是一个完整的闪存芯片硅芯片的图像，它从未像上面那样覆盖在环氧树脂封装内。这种特殊的闪存芯片与上面蓝色SD 卡中使用的芯片类型不同。这种特殊的闪存芯片适用于 2GiB 的闪存：
明亮的颜色来自芯片表面薄氧化层内的薄膜干涉。芯片的边缘包含许多细节，这些细节对用于读取和写入芯片数据的逻辑进行编码：
芯片中心高度均匀的区域包含实际存储数据的特征：
这是存储单元的特写（以及一些灰尘颗粒）：
LED灯（发光二极管）LED 也由半导体材料制成，例如砷化镓、氮化铟镓、磷化镓等。材料的准确选择是决定 LED 将发射哪些波长的光的重要因素。不同的材料具有不同的“带隙”值，这是确定发射照片的能量（以及波长）的重要因素。
太阳能电池当人们谈论利用“太阳能”的时，一般谈论的是使用“太阳能电池”将光转化为电能。这些太阳能电池也恰好是由半导体制成的。用于制造太阳能电池的最常见的半导体材料是硅：
一些高效太阳能电池使用碲化镉代替。根据硅的各种晶体结构，如单晶硅、多晶硅和非晶硅，可以购买多种不同形式的硅太阳能电池。每种形式在效率和生产成本方面都有其优缺点。掺杂浓度、杂质、晶粒尺寸和几何形状等其他因素会影响效率和成本。
这是测量单个太阳能电池的开路电压的演示：
电源大多数人并不认为电源是“计算设备”，但这并不意味着它们不包含任何半导体！这是一台服务器的旧电源：
如果你打开它，你会看到各种非半导体材料，如散热器、电感器、电容器等：
但如果你仔细观察，你会发现各种各样的半导体。它们中的大多数以“哑”组件的形式出现，例如稳压器、光隔离器或运算放大器。
随着技术的进步，趋势是提高此类电源的效率。这需要增加他们使用的半导体器件的复杂性。
温度传感器这是一个 DS18B20 热探头。金属尖端是实际感知温度的部分：
如果将其切开，金属尖端的外观如下：
请注意上图中心位于铜顶部的银色材料板，这就像一个半导体！
相机传感器这是取下镜头的摄像机：
它使用 CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器，使用微型光电探测器阵列检测光：
光电探测器对不同的颜色敏感，并排列成拜耳滤光片图案，以便可以重建全彩色信息以产生图像。
光电二极管光电二极管是检测光照水平的有用设备。顾名思义，它们也是二极管：
它们的工作原理很像迷你太阳能电池，尽管它们的精确化学特性使它们更适合测量光照水平，而不是实现最大的能量收集：
但是，你仍然可以将其中的一些串联起来，并用它们收集有意义的能量：
例如，在冬天中间一个相当昏暗的房间里，大约 45 分钟后，能够使用上述光电二极管将 2200uF 电容器充电至略高于 3 伏特。这表示存储在电容器中的总电荷约为 0.01 焦耳，足以让这个 0.5 瓦的 LED 灯短暂闪烁：
“芯片”不仅仅意味着“CPU”！在我们的笔记本电脑、手机和台式电脑中运行图形操作系统的“芯片”，用于非图形操作系统（如服务器、云系统、工业自动化等）的芯片并没有受到太多关注，但它们实际上比运行我们个人计算机的“芯片”要多。
甚至根本不运行操作系统 的小型专用芯片比任何类型的“处理器”都多几个数量级但是，对于很多人来说这些芯片实际上是不怎么能接触到的。
“处理器/微处理器”和“微控制器”之间存在许多质的差异。
定义：A'微控制器'与'处理器'的不同之处在于它提供了比处理器更简单的框架和对被控制硬件的原始访问级别。
通常，为“处理器”编写的软件在操作系统上下文中的软件进程内运行，并且很可能会受到进程隔离功能的影响，例如 CPU 使用限制、特权指令执行限制和内存访问控制。
相比之下，是操作系统，将有能力使用 100% 的 CPU，执行它想要的任何指令，以及读/写内存的任何部分。
此外，通用“处理器”可能更愿意将 I/O 操作、中断或与外围设备的交互卸载到单独的芯片上，但“微控制器”可能会将所有这些功能集成到同一物理芯片上。
微控制器的整体优势是成本更低和更简单，但缺点是它们中的大多数仅设计用于在一个非常特定的应用程序中工作以控制非常特定的硬件。
例如，这是一个用作 8 位多声道声音控制器的芯片，时钟速度为 8 Mhz。它提供一个串行外设主接口、1 MB ROM 和一个实时时钟。它列出的用途包括音频处理、混音、PCM 波处理、语音和旋律处理功能：
这是一个更“通用”的 8 位微控制器，具有 17 个中断源、22 个 I/O 引脚、一个 8 位 UART 和一个可编程看门狗定时器。其产品规格表之一列出了以下潜在应用：“便携式设备、数字信息设备（宽带/OA 设备）、数字消费类（DSC/DVC/DVD/DTV/STB）、汽车设备、音频电视/通信（无绳电话） 、电器、逆变器电器”。
该芯片专为 900Mhz 无绳电话制造，具有锁相环、红外探测器和压缩扩展器：
芯片互连与PCB走线你越了解芯片是如何制造的，你就越意识到它们只是其他宏观电路的小型化版本。这可能就是为什么芯片通常被称为“集成电路”的原因。如果你曾经拆开电子设备并看到绿色“印刷电路板”上的痕迹，你可以直接比较“芯片”内部的铜互连：
几乎任何你可以想象在面包板上接线或焊接到 PCB 上的电路，你也可以变成集成电路（对于大型电容器/电感器、移动部件等有一些实际限制）。
硅到目前为止，讨论的大多数半导体的共同主题之一是它们使用硅。值得一提的是，硅有多种不同的晶体形式。例如，这是一块具有完全均匀晶格、完全没有任何晶界的单晶硅：
这是一块具有许多杂乱晶界的多晶硅：
这是一块经过宏观蚀刻的多晶硅，使单个晶粒更清晰可见：
这是一块具有分支晶体结构的树枝状硅：
最后，这是一个不纯二氧化硅（石英晶体）的例子：
锗硅不是唯一的半导体！锗也是一种常用的。这是纯锗晶体：
对于某些应用，由于其材料特性的差异，锗比硅更可取。例如，硅二极管通常具有大约 0.7 伏的正向电压，而锗二极管具有大约 0.3 伏的正向电压。
锗也常用于制造红外光学元件。以下是红外镜头的示例：
半导体的基础1)带隙：
带隙的概念是了解半导体材料的最重要的概念。“带隙”是一个数字，用于量化将电子从价带向上移动到导带所需的“能隙”. 事实上，将所有材料（包括非半导体）视为具有“带隙”是有帮助的，但对于金属来说，电子已经在导带中，而对于绝缘体来说，电子需要大量的能量才能进入导带。
对于太阳能电池、光电二极管或 LED 之类的东西，带隙的数值很重要，因为它决定了光子在被半导体材料的原子发射或吸收时将具有什么能级（波长）。请注意，光子的“能量”决定了它的波长（颜色）。
对于二极管或晶体管之类的东西，带隙是影响器件正向电压的众多因素之一。在所有其他因素相同的情况下，更高的带隙材料将需要更高的正向电压，但漏电流更小。较低带隙的材料将具有较低的正向电压，但具有较高的漏电流。
半导体器件的功能也很大程度上取决于材料是否具有直接或间接带隙。
2）掺杂相关电阻：
在讨论半导体的特性时，要考虑的最简单的情况是该半导体物质的纯样品。然而，半导体的实际电阻还取决于可能混入其中的任何杂质的浓度。即使是像百万分之一这样的小浓度也会产生显着的差异。这些杂质称为掺杂剂。在硅半导体器件中发现的两种最常见的掺杂剂是硼和磷。
半导体的带隙特性极为重要，半导体的掺杂工艺也会对材料的带隙产生影响。
3) 温度相关电阻：
温度对半导体的电性能也有显着影响。特别是，半导体的电阻随温度升高而降低。对于典型的“导体”，它们的电阻会随着温度升高而增加。以下是显示随着温度升高铜线与大块硅的电阻变化：
如果你想构建一个测量温度的半导体器件，这种对温度的敏感性可能是一个理想的特性：你将从表征一块半导体材料的温度/电阻图开始。然后，要进行温度测量，通过测量半导体材料块上的电压降来推断电阻/实际温度。
电阻随温度升高而降低的影响也可能是半导体的不良特性：半导体器件（特别是 LED 灯）遇到的一个常见问题是热失控.。当半导体器件运行时，它会消耗电流，其中一些作为器件本身的废热消散。
如前所述，提高半导体的温度会导致其电阻降低，但较低的电阻意味着较高的电流消耗。由于电阻器中散发的热量基于电流的平方，因此如果设备的废热没有足够快地散发到周围环境中，则设备可能会出现热失控。
随着越来越多的热量在设备中积聚，它会继续吸收越来越多的电流，甚至更快地升温，直到设备熔化，或者它与周围的散热率达到平衡。
还有两个非常重要的与温度相关的半导体器件：Peltier 器件，将电能转化为温度梯度（用于加热或冷却）和Seebeck 发电机，将温度梯度转化为电能（用于能量收集）。
4) 晶粒结构：
半导体可以组织成不同的晶体结构。单个晶粒可大可小，并以任何方式排列。当你只有一个原子或几个原子排列成同质结构时，带隙的概念很容易理解，但实际情况比这更复杂。
在晶体中，电子能够在整个结构中移动，因此只考虑电子（和带隙）相对于晶体中一个原子的行为是幼稚的。相反，有必要考虑电子如何在整个晶体中移动，同时考虑到晶粒边界和可能存在的任何掺杂剂。
5) 晶体各向异性：
“各向异性”：“在物理学中，当沿不同方向的轴测量时，表现出具有不同值的属性的质量”。如果我们考虑一个完全没有掺杂的纯单晶硅单晶，晶体表面的原子排列会根据你从哪个方向接近晶体而有所不同：
这些晶面通常根据它们的米勒指数来识别。
硅具有金刚石立方晶体结构，使其具有这种各向异性特性。这很重要，因为事实证明，电阻等重要的材料特性实际上取决于你穿过晶格的方向！
在开发半导体器件时需要考虑很多变量：本征材料带隙、掺杂、温度、晶粒结构和晶体取向。
以上，就是今天要分享的内容。
图片来源于小红书