《电工学半导体器》课件

电工学半导体器件本课程将深入探讨半导体器件的原理、结构和应用，内容涵盖二极管、晶体管、场效应管等基本器件，并介绍它们在电路中的实际应用。课程教学目标了解半导体器件的基本概念掌握半导体材料的性质和PN结的基本工作原理。学习二极管、三极管和场效应管的基本结构和工作原理。掌握半导体器件的特性学习半导体器件的伏安特性、电流放大倍数等重要参数。了解半导体器件在电子电路中的应用和分类。半导体器件的基本概念导电性半导体介于导体和绝缘体之间，其电阻率介于两者之间。半导体的电阻率受温度、杂质和光照的影响。种类常见的半导体材料包括硅、锗和砷化镓，它们在电子器件中广泛应用。用途半导体器件广泛应用于电子设备中，例如计算机、手机、电视和汽车，为现代生活提供了基础。半导体材料的性质半导体材料具有独特的电学性质，介于导体和绝缘体之间。其电阻率随温度、光照、掺杂等因素发生变化。半导体材料的应用非常广泛，例如在电子器件、光电器件、传感器等领域发挥重要作用。PN结的工作原理1扩散电流多数载流子从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散，形成扩散电流2漂移电流由于电场的作用，少数载流子从浓度低的一侧向浓度高的一侧漂移，形成漂移电流3平衡状态扩散电流和漂移电流相等，PN结处于平衡状态4外加电压当外加正向电压时，扩散电流大于漂移电流，PN结导通5反向电压当外加反向电压时，漂移电流大于扩散电流，PN结截止PN结是半导体器件的基本单元，其工作原理是基于载流子的扩散和漂移运动。在平衡状态下，扩散电流和漂移电流相等，PN结处于截止状态。当外加正向电压时，PN结导通，扩散电流大于漂移电流。当外加反向电压时，PN结截止，漂移电流大于扩散电流。PN结的伏安特性PN结的伏安特性曲线分为正向和反向两部分。正向电压下，电流随电压呈指数增长。反向电压下，电流很小，几乎不变，称为反向饱和电流。半导体二极管的工作原理1PN结的形成正负半导体材料结合，形成PN结。2偏置电压施加正向电压，电子和空穴流动，形成电流。3电流方向正向电压下，电流方向从正极流向负极。4反向偏置施加反向电压，PN结形成阻挡层，电流极小。PN结是半导体二极管的核心，它决定了二极管的导电特性。半导体二极管的特性正向特性反向特性正向电压较低时，电流很小反向电压较低时，电流很小，基本保持恒定正向电压超过阈值电压后，电流迅速增加反向电压超过击穿电压后，电流急剧增加二极管的主要应用1整流二极管可用于将交流电转换为直流电，这在电子设备中至关重要。2保护二极管可用作过压保护装置，防止敏感电路元件因过压而损坏。3开关二极管可以作为开关，控制电流在电路中的流动，实现信号传递或控制功能。4稳压某些类型的二极管具有稳压功能，可用于保持电路中的电压稳定。三极管的基本结构三极管是一种具有三个引脚的半导体器件，它由PN结组成。三极管的主要结构由发射极、基极和集电极三个部分组成。发射极与基极之间形成PN结，基极与集电极之间形成PN结，发射极和集电极之间通过基极连接。三极管的工作原理电流放大三极管可以将输入的小电流放大为输出的大电流。基极控制基极电流控制着集电极电流和发射极电流的大小。工作状态三极管有三种工作状态：截止状态、放大状态和饱和状态。三极管的特性曲线三极管的特性曲线用于描述三极管在不同工作状态下的电流、电压关系。通过分析特性曲线，可以了解三极管的放大能力、工作范围以及各种参数。1输入特性基极电流与基极电压的关系2输出特性集电极电流与集电极电压的关系3转移特性集电极电流与基极电流的关系三极管的基本放大电路1共射放大电路输入信号加在基极，输出信号从集电极取得。由于基极电流很小，集电极电流变化很大，因此放大倍数高。2共集放大电路输入信号加在基极，输出信号从发射极取得。该电路具有电流放大作用，但电压放大倍数小于1。3共基放大电路输入信号加在发射极，输出信号从集电极取得。该电路具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点。三极管的分类及应用NPN型和PNP型根据材料的类型和掺杂情况，三极管分为NPN型和PNP型两种。通用型三极管广泛应用于放大、开关、信号处理等领域。专用型三极管针对特定应用场景设计，例如射频三极管、高频三极管等。场效应管的基本结构N沟道场效应管N沟道场效应管由一块N型半导体材料制成，其内部包含一个P型半导体区域，称为“沟道”。P沟道场效应管P沟道场效应管由一块P型半导体材料制成，其内部包含一个N型半导体区域，称为“沟道”。场效应管的工作原理栅极电压控制场效应管是一种电流控制型器件，通过施加栅极电压来控制漏极电流。电场效应栅极电压在沟道中形成电场，控制沟道中载流子的浓度，从而影响漏极电流。通道开启与关闭当栅极电压足够高时，沟道被开启，漏极电流可以流通。当栅极电压降低时，沟道被关闭，漏极电流被阻断。电流放大场效应管可以利用微小的栅极电压变化来控制更大的漏极电流变化，实现电流放大。场效应管的特性曲线场效应管的特性曲线是描述场效应管的电流与电压之间关系的图形。通过特性曲线，可以了解场效应管的导通特性、放大特性和饱和特性。场效应管的特性曲线与二极管和三极管类似，但更复杂。场效应管的特性曲线可以用于设计和分析场效应管电路，帮助工程师选择合适的场效应管，并确保电路的正常工作。不同的场效应管具有不同的特性曲线。特性曲线的形状取决于场效应管的类型、尺寸和制造工艺。工程师需要根据具体的应用选择合适的场效应管，并根据其特性曲线进行电路设计。场效应管的主要应用模拟电路场效应管广泛应用于音频放大器、视频放大器、低噪声放大器等领域，可用于构建高性能模拟电路。数字电路场效应管可用于构建数字逻辑电路，例如逻辑门、触发器、计数器等，在计算机系统中发挥重要作用。电力电子场效应管具有高速开关特性，广泛应用于电力电子领域，例如功率转换器、逆变器、电机驱动等。传感器场效应管可作为敏感元件，应用于各种传感器，例如温度传感器、压力传感器、光传感器等。光电器件的基本原理1光电效应光电效应指光照射到金属表面时，金属中的电子吸收光能而从金属表面逸出的现象。2光生伏特效应光生伏特效应指当光照射到PN结或肖特基结时，光能被半导体材料吸收，产生电子-空穴对，从而在PN结两端产生电压的现象。3光电导效应光电导效应指当光照射到半导体材料时，半导体材料的电导率增加的现象。LED的工作原理及应用1PN结正向偏压2电子-空穴复合释放能量3光子发射可见光4光电转换电流信号LED的应用广泛。例如，LED灯泡、LED显示屏、LED背光源等。LED相比传统光源具有节能、环保、寿命长、响应速度快等优点。光电二极管的特性及应用光电二极管的特性光电二极管是一种光敏器件，它可以将光能转换为电能。其主要特性包括光敏度、响应速度、暗电流和工作电压。应用领域光电二极管广泛应用于光探测、光通信、自动控制、安防等领域。例如，在光探测中，它可以用于光强测量、光谱分析等。光敏电阻的工作原理及应用工作原理光敏电阻的电阻值会随着光照强度的变化而变化。当光照射到光敏电阻上时，电阻值会减小，反之则会增大。应用场景光敏电阻广泛应用于光电检测、自动控制、弱光照明等领域，例如自动门、光线感应器、相机曝光控制等。优点光敏电阻结构简单、成本低廉，响应速度快，在弱光环境下也能够保持较高的灵敏度，因此在实际应用中具有较大的优势。光电池的工作原理及应用1光电效应光照射到PN结上2电子-空穴对产生电子-空穴对3电流形成光生电流4能量转换光能转换为电能光电池可以应用于太阳能电池板、太阳能发电站、太阳能充电器等领域。光电池技术可用于解决能源危机，具有环保、清洁、可再生等优点。OLED的工作原理及应用1OLED的工作原理有机发光二极管（OLED）是一种新型的平面显示技术，其基本原理是利用有机材料的电致发光现象。2OLED的应用OLED具有自发光、高亮度、高对比度、低功耗、响应速度快等优势，广泛应用于手机、电视、笔记本电脑等显示设备。3OLED的未来发展随着技术的不断进步，OLED的应用领域将进一步扩展，未来将应用于可穿戴设备、车载显示等领域。固态器件的发展趋势11.高集成度集成度不断提高，芯片功能更强大，尺寸更小，功耗更低。22.高性能速度更快，效率更高，性能更稳定，应用范围更广。33.高可靠性使用寿命更长，抗干扰能力更强，安全性更高。44.低功耗功耗更低，更节能环保，符合可持续发展理念。半导体器件应用案例分享移动设备手机、平板电脑、笔记本电脑等移动设备广泛使用半导体器件。汽车电子汽车电子控制系统、安全系统、娱乐系统等都离不开半导体器件。新能源太阳能电池、风力发电、电动汽车等新能源领域大量使用半导体器件。医疗器械医疗影像设备、诊断仪器、治疗设备等医疗器械广泛应用半导体器件。本章知识重点总结半导体器件的基本概念半导体材料及其基本性质，PN结的工作原理、伏安特性。二极管二极管的工作原理、伏安特性，二极管的主要应用。三极管三极管的基本结构、工作原理、特性曲线，基本放大电路，三极管的分类及应用。场效应管场效应管的基本结构、工作原理、特性曲线，主要应用。本章知识拓展除了本章介绍的基本概念和原理，半导体器件还有许多更深入的知识值得探索。例如，可以深入学习不同类型半导体材料的特性，包括硅、锗、砷化镓等。此外，可以研究不同类型半导体器件的应用，例如，在电力电子领域、通信领域、微电子领域、光电领域等都有广泛应用。还可以了解半导体器件未来的发展趋势，例如，纳米器件、量子器件等，以及未来