《半导体与常用器》课件

半导体与常用器本课程将带您深入了解半导体材料及其在电子器件中的应用。我们将探讨半导体器件的原理、结构、特性及应用。什么是半导体介于导体和绝缘体之间导电性能介于导体和绝缘体之间，在一定条件下，导电性能可以发生显著变化。例如，温度变化、光照变化、电场变化。广泛应用于电子器件构成现代电子器件的核心材料，应用于各种电子设备，包括计算机、手机、电视、汽车等。半导体的性质导电性可控半导体材料在不同条件下表现出不同导电性能。可制成各种器件半导体材料可以制作各种电子器件，如二极管、三极管等。广泛应用于电子设备半导体器件在现代电子设备中扮演着重要角色。半导体的基本单元1原子半导体材料是由原子构成的，每个原子都拥有原子核和电子。2能带理论能带理论解释了半导体材料的导电特性，电子在能带间跃迁导致电流的产生。3电子空穴对半导体材料中存在电子和空穴，它们相互作用，影响半导体的导电性。4晶体结构半导体材料的晶体结构决定了电子和空穴的运动规律，影响其导电性。半导体的制备半导体的制备是制造各种电子元器件的基础。从原料到最终产品，半导体生产涉及多个关键步骤，每个步骤都至关重要。1原材料硅、锗等2提纯去除杂质3晶体生长单晶硅4切片薄片5加工蚀刻、扩散、沉积等半导体的掺杂掺杂的目的通过添加少量杂质元素，提高半导体的导电能力，使其更适合制作电子器件。掺杂的类型主要分为N型掺杂和P型掺杂，分别通过添加五价元素和三价元素实现。掺杂的过程将少量杂质元素引入硅或锗晶体中，形成N型或P型半导体。掺杂的应用掺杂是制作PN结、二极管、三极管等基本电子器件的基础。PN结的形成1N型半导体掺杂了五价元素，如砷2P型半导体掺杂了三价元素，如硼3接触N型和P型半导体接触4扩散电子和空穴扩散，形成PN结PN结是半导体器件的核心，由N型半导体和P型半导体接触形成。N型半导体掺杂了五价元素，如砷，形成自由电子；P型半导体掺杂了三价元素，如硼，形成空穴。当N型和P型半导体接触时，电子和空穴会相互扩散，形成一个称为PN结的区域。PN结的特性单向导电性PN结具有单向导电性，正向电压下导通，反向电压下截止。结电容PN结内部存在一个空间电荷区，该区域表现出一定的电容特性。电流-电压特性PN结的电流随电压的变化而变化，呈现出非线性关系。肖特基结金属与半导体之间的接触面形成肖特基二极管降低导通电压提高开关速度二极管单向导电性二极管只允许电流从正向通过，反向则会阻断电流。这项特性使其成为电子电路中常见的开关和整流元件。PN结二极管的核心是PN结，由N型和P型半导体材料组成，中间形成了一个耗尽层，控制着电流的流动方向。类型多样常见的二极管类型包括硅二极管、锗二极管、肖特基二极管等，它们拥有不同的特性，适用于不同的应用场景。二极管的特性正向特性二极管正向偏置时，电流随电压增加迅速增大，正向电流很大。反向特性二极管反向偏置时，电流很小，几乎为零，且保持不变，直到反向击穿电压。伏安特性二极管的正向伏安特性呈指数关系，反向伏安特性呈线性关系。二极管的应用整流将交流电转换为直流电，用于电子设备的电源供电。发光LED二极管，用于显示屏、照明等。电压钳位限制电压峰值，保护电路。逻辑门用于构建基本的逻辑电路。三极管晶体管的概念三极管是一种半导体器件，由三个PN结组成。它可以放大电流、电压或功率信号。它是现代电子电路中最重要的基础元件之一，广泛应用于各种电子设备。三极管的类型三极管主要分为NPN型和PNP型两种，根据基极、发射极和集电极的材料组合来区分。三极管的类型影响其工作特性和应用领域。三极管的分类11.按材料分类硅三极管和锗三极管，硅三极管在高溫性能和穩定性上更優越。22.按结构分类NPN型和PNP型，NPN型比PNP型应用更廣泛。33.按用途分类小信号三极管和大功率三极管，大功率三極管用於控制較大電流。44.按极性分类共射、共基、共集電極，共射電路應用最廣泛。三极管的工作原理1发射结正偏发射结正偏后，电子从发射区注入基区，少数载流子浓度增大。2集电结反偏集电结反偏后，基区中的电子大部分进入集电区，成为集电电流。3电流放大集电电流远大于基区电流，实现了电流放大作用，这是三极管的本质功能。三极管的特性电流放大三极管可以放大电流信号，实现信号增益。开关作用三极管可以作为开关使用，控制电流的通断。非线性特性三极管的输入输出关系是非线性的，使其能够实现各种功能。三极管的应用放大电路三极管可放大音频、射频等信号，应用于收音机、电视机、手机等。开关电路三极管可控制电流，实现开关功能，应用于计算机、电源、电机控制等。振荡电路三极管可产生特定频率的信号，应用于时钟电路、无线电发射机等。集成电路的概念微型化电子电路集成电路是一种将多个电子元件，如晶体管、电阻、电容等，集成在同一个半导体芯片上的微型化电子电路。小型化和高集成度集成电路实现了电子器件的极度小型化和高集成度，使电子设备更加轻巧、性能更强大、功耗更低。集成电路的分类按用途分类集成电路可分为模拟集成电路、数字集成电路和混合集成电路。按集成度分类集成电路可分为小规模集成电路（SSI）、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）和极大规模集成电路（ULSI）。按工艺分类集成电路可分为双极型集成电路、MOS型集成电路和双极型-MOS型集成电路。集成电路的制造1晶圆制造使用硅材料制成晶圆。2光刻使用紫外光将电路图案转移到晶圆上。3刻蚀去除多余的材料，形成电路。4掺杂改变硅的导电性，形成PN结。5封装将芯片封装成集成电路。集成电路的制造过程复杂且精密，需要经过多个步骤才能完成。从最初的晶圆制造到最后的封装，每个步骤都需要严格的控制和管理。微控制器11.嵌入式系统核心微控制器是嵌入式系统的核心，控制着各种电子设备。22.集成电路它包含了CPU、内存、I/O接口等功能模块，整合在一个芯片上。33.编程控制用户可以通过编程来控制微控制器，实现各种特定功能。44.广泛应用微控制器应用于各种领域，如智能家居、工业自动化、医疗设备等。微处理器中央处理单元微处理器是计算机的核心，负责处理所有指令和数据。集成电路微处理器由复杂的集成电路组成，包含多个功能单元，如算术逻辑单元(ALU)和控制单元。高性能现代微处理器具有高性能、低功耗和高集成度的特点，为各种应用提供了强大的计算能力。存储器1存储数据的部件计算机中存储数据、程序以及其他信息的部件。2不同存储器类型例如，RAM、ROM、Flash存储器和硬盘驱动器。3访问速度和容量存储器的访问速度和容量会影响计算机的性能。4数据持久性存储器可以分为易失性存储器和非易失性存储器。电阻定义电阻是电路中的一种元件，阻碍电流通过。电阻值以欧姆为单位，用符号“Ω”表示。作用电阻器在电路中起着控制电流、分压、限流等作用。它可以调节电路中电流的大小，或将电压分配到不同部分。电容电容的结构电容器由两个相互靠近的导体构成，导体之间由绝缘材料隔开。电容的种类电解电容陶瓷电容薄膜电容电容的应用电容广泛应用于电子电路中，例如滤波、耦合、储能等。电容电容的定义电容是电子元件，它能存储电能，并能释放能量。它由两个导体组成，它们之间由绝缘体隔开。电容的单位电容的单位是法拉（F）。1法拉等于1库仑的电荷在1伏特的电位差下储存的电能。电容的应用电容广泛应用于电子电路中，例如滤波、耦合、去耦、储能等。电容的类型电容的类型有很多，例如陶瓷电容、电解电容、薄膜电容等。变压器工作原理变压器利用电磁感应原理将交流电压升高或降低。变压器通过线圈间的磁耦合将能量从一个电路传递到另一个电路。应用变压器广泛应用于电力系统、电子设备等领域。变压器用于将高压电降至低压电，供家庭和工业使用。类型变压器按其用途、结构和工作电压进行分类。常见类型包括电力变压器、电子变压器、音频变压器等。继电器电磁控制继电器使用电磁铁控制开关，实现电路的通断。信号放大继电器可以放大低电压信号，控制高电压电路。电路控制继电器可用于多种电路控制，例如自动控制系统。隔离继电器隔离了控制电路和被控电路，提高安全性。传感器温度传感器用于测量温度，如热敏电阻和热电偶，广泛应用于工业控制、医疗监测和环境监测等领域。光传感器用于检测光线强度，如光电二极管和光电三极管，应用于相机、自动门、光控照明等。压力传感器用于测量压力，如压阻传感器和压电传感器，应用于汽车安全系统、医疗设备和工业自动化等。距离传感器用于测量距离，如超声波传感器和红外传感器，应用于自动驾驶、机器人导航和工业自动化等。执行器11.电机电机是执行器中最常见的类型，用于产生旋转或线性运动。22.气动执行器气动执行器利用压缩空气驱动，适用于需要快速响应和高力量的应用。33.液压执行器液压执行器使用液压油驱动，可提供更大的力量和扭矩。44.伺服执行器伺服执行器能够精确控制位置和速度，广泛应用于自动化和机器人领域。总结半导体是现代电子技术的基