在過去幾十年中，醫(yī)療技術不斷進步，促使醫(yī)療行業(yè)在當前時代經(jīng)歷了徹底的變革。創(chuàng)新半導體在電子元件中的廣泛應用迅速為開發(fā)高度復雜的醫(yī)療儀器打開了大門，這些儀器能夠高效地診斷和管理各種病理狀況。

持續(xù)的小型化電子元件的努力，促成了更小、更可穿戴或便攜的醫(yī)療設備的發(fā)展，使得患者可以進行持續(xù)而細致的監(jiān)測，為大多數(shù)患者提供在家護理的便利，而不犧牲醫(yī)療監(jiān)督的質(zhì)量?？纱┐骱捅銛y設備、先進的成像系統(tǒng)和復雜的傳感器，構成了現(xiàn)代患者護理、診斷和治療中不可或缺的高度先進和復雜的醫(yī)療工具。

半導體元件

“半導體”這個詞指的是一種具有部分導電特性的材料，介于導體和絕緣體之間，能夠根據(jù)施加的電刺激導電。半導體通常由硅制成，但現(xiàn)在越來越多地包含碳化硅和氮化鎵，真正代表了現(xiàn)代電子的基礎。

最常見的半導體材料包括硅、鍺和砷化鎵。鍺是最早使用的半導體材料之一，但自20世紀50年代以來，它逐漸被硅取代，硅是地球上僅次于碳的最豐富元素。砷化鎵也是一種常用的半導體，但由于其更難于大規(guī)模生產(chǎn)，并且涉及使用極其有毒的化學物質(zhì)，因此有一些局限性。

石墨烯有潛力超越硅的受歡迎程度，但大規(guī)模商業(yè)化可能仍需較長時間。碳化硅(SiC)是一種硅和碳的化合物，目前在電力電子領域表現(xiàn)突出，因為與硅相比，它在高壓應用(超過1200 V)中提供了許多優(yōu)勢，廣泛應用于電動車、快速充電系統(tǒng)、可再生能源和工業(yè)應用中。

半導體材料具有獨特的電氣特性，允許操作人員準確控制電流的流動。憑借其高度的可定制潛力，半導體可以根據(jù)應用的獨特規(guī)范和要求導電;它們的價格和可得性各不相同，從豐富且經(jīng)濟的硅到昂貴的稀土元素，都是太陽能電池、晶體管、傳感器和電動汽車電路正常運行的關鍵。

現(xiàn)代世界的存在離不開半導體，隨著現(xiàn)有材料達到其物理極限，新材料已準備好取而代之。半導體是大多數(shù)現(xiàn)代醫(yī)療設備的核心(見圖1)。有P型和N型半導體，當暴露于光、熱或其他形式的勢能時，它們可以導電。半導體器件在電流通過時被激活，允許電子在原子之間自由流動。

醫(yī)療電子中一些常見的半導體應用示例包括成像設備，例如X光、CT和MRI機器中的傳感器，治療工具如起搏器和胰島素泵，實驗室血液和DNA分析儀，可植入和生物假肢，以及許多其他設備。得益于其出色的適應性和在特定條件下轉(zhuǎn)換和放大電子信號的能力，半導體徹底改變了電子行業(yè)，并幾乎在所有電子設備和電路中都有應用。

一般來說，半導體作為絕緣體，當其某些特性發(fā)生變化時會變?yōu)閷w，能夠控制通過它們的電流流動。在最重要的半導體元件中，二極管是不可忽視的第一個基于半導體的電子設備。它具有不對稱特性，在一個方向上對電流流動具有高阻抗，而在相反方向上具有低阻抗。

另一種廣泛使用的半導體電子元件是晶體管，這是電子世界的革命性元素。它可以作為電信號的開關或放大器，由三層不同的半導體材料組成，摻雜以創(chuàng)建具有不同電氣特性的區(qū)域。通過施加小電流到基極，可以控制在集電極和發(fā)射極之間流動的更大電流。

現(xiàn)代集成電路可以容納數(shù)十億個晶體管。另一種相對流行的組件是MOSFET。它通過使用電場來控制兩個不同端子之間的電流流動而區(qū)別于其他類型的晶體管。MOSFET相比其他類型的晶體管具有許多優(yōu)點，如高輸入阻抗、高開關速度和低開關電阻(Rds(ON))，這些特性使其在各種醫(yī)療應用中表現(xiàn)優(yōu)異。

半導體醫(yī)療應用

如今，由于其精確的控制、處理、存儲和電源管理能力，半導體成為大多數(shù)醫(yī)療設備的核心。雖然較舊的醫(yī)療工具主要依賴機械操作，但更先進的半導體設備顯著提高了傳統(tǒng)醫(yī)療設備的性能，大大降低了相關成本。

半導體是醫(yī)院和醫(yī)生辦公室中各種醫(yī)療設備不可或缺的一部分(見圖2)。醫(yī)療領域的應用包括從小型便攜設備到大型高功率固定機器的設備，所有設備必須確保最大安全性和可靠性。幾乎不可能列出所有包含半導體的醫(yī)療應用，因為每種應用都有其特殊規(guī)格;然而，它們都以越來越復雜的方式為疾病的診斷和最重要的有效治療服務。

半導體被大規(guī)模用于監(jiān)測多個生命體征的設備，例如監(jiān)測糖尿病患者血液中的葡萄糖水平或心臟病患者的心率。即便是CT掃描儀、電圖儀或血壓監(jiān)測儀的開發(fā)，也因最新半導體的使用而得到顯著促進，確保極高的性能和可靠性。借助其半導體組件，醫(yī)療應用如成像和監(jiān)測(包括在重癥監(jiān)護中)、可穿戴醫(yī)療設備、外科設備、血糖檢測儀、血壓監(jiān)測儀和紅外溫度計都能夠產(chǎn)生極高精度的結果。

新的發(fā)展包括圍繞核醫(yī)學和放射學的創(chuàng)新技術。使用特殊的半導體組件確保生成高質(zhì)量的圖像，通常是三維和彩色的。半導體核輻射探測器通常用于多個領域的高分辨率光譜學，對2D和3D X射線成像系統(tǒng)的發(fā)展起到了關鍵作用，得益于其優(yōu)勢特性。半導體(硅或鍺)探測器能夠通過檢測輻射來測量帶電粒子或光子的影響。它們與光伏面板相似。當電離輻射進入半導體時，它與之相互作用，激發(fā)電子并留下一個空穴;然后，通過收集電子-空穴對，最終形成檢測信號。半導體探測器用于輻射保護和放射性材料的分析。

隨著新檢測儀器和相關電子設備的不斷發(fā)展，X射線圖像采集在醫(yī)療領域變得越來越普遍。新的研究傾向于使用回饋寬動態(tài)范圍、高對比度的同步輻射束，最重要的是，減少生成高質(zhì)量圖像所需的放射性劑量。在這種背景下，半導體探測器能夠滿足大多數(shù)用戶的需求。

數(shù)字放射攝影已經(jīng)成為現(xiàn)實，提供出色的高分辨率和對比度。近年來，科學家們正在進行多個項目，以開發(fā)更先進的半導體探測器，因為傳統(tǒng)的半導體(如硅和鍺)往往無法完全滿足與高能光子醫(yī)療成像相關的技術要求。這類研究圍繞材料的成本和可得性進行，這些問題也在持續(xù)不斷地解決中。

結論

毫無疑問，半導體已成為現(xiàn)代醫(yī)療電子學中不可或缺的組成部分，加速了更小、可穿戴和便攜設備的開發(fā)，以實現(xiàn)持續(xù)的患者監(jiān)測。這些組件廣泛應用于各種醫(yī)療應用中，從成像系統(tǒng)、監(jiān)測設備、治療工具、實驗室儀器，到假肢和植入物。

半導體被視為醫(yī)療行業(yè)的革命性材料，已證明自己是傳統(tǒng)設備技術和性能提升的關鍵組成部分，同時降低了成本，從而實現(xiàn)更精確和可靠的結果。半導體技術的最新發(fā)展有望進一步擴展診斷和治療能力，為醫(yī)療創(chuàng)新的新紀元鋪平道路。

半導體材料具有與電導率相關的特定特性，其未來取決于大規(guī)模生產(chǎn)新材料的可能性，這些新材料應具有類似的特性，價格應與硅相似或更低。