《半导体器件》课件

《半导体器件》本课程介绍半导体器件的基本原理、特性和应用。课程大纲1.半导体物理基础介绍半导体材料、能量带理论、载流子浓度等基本概念。2.PN结的基本性质探讨PN结的形成、电势分布、空间电荷区和正反向特性。3.二极管的特性分析二极管的电流-电压特性、工作状态和等效电路模型。4.特殊二极管介绍稳压二极管、光电二极管、雪崩二极管等特殊二极管。1.半导体物理基础1半导体材料硅、锗等材料，具有导电性能介于导体和绝缘体之间的特点。2能量带理论解释半导体材料中电子能级的分布和跃迁现象。3载流子浓度分析半导体中自由电子和空穴的浓度及其影响因素。半导体材料1硅最常用的半导体材料，具有良好的物理和化学性能。2锗较硅更易加工，但性能较差。3砷化镓高速半导体材料，应用于高频器件。能量带理论价带电子占据的能级范围，对应于原子中电子的结合能级。导带电子可以自由运动的能级范围，对应于原子中电子的自由能级。禁带价带和导带之间的能级范围，电子无法占据，决定了材料的导电性能。载流子浓度本征半导体电子和空穴浓度相等，受温度影响。掺杂半导体通过加入杂质改变载流子浓度，分为N型和P型。载流子寿命载流子从产生到复合的时间，影响器件的性能。2.PN结的基本性质1PN结的形成在N型和P型半导体材料的接触面上形成的界面。2电势分布和空间电荷区由于载流子的扩散，在PN结两侧形成空间电荷区，产生电势差。3正向和反向特性PN结的电流-电压特性取决于外加电压的方向，分为正向和反向特性。PN结的形成1N型半导体掺入五价元素，例如磷，形成多余的自由电子。2P型半导体掺入三价元素，例如硼，形成多余的空穴。3PN结N型和P型半导体接触后，载流子扩散，形成空间电荷区。电势分布和空间电荷区空间电荷区PN结两侧的载流子扩散形成的区域，电场强度较大。电势差空间电荷区产生的电场形成电势差，阻止载流子进一步扩散。正向和反向特性正向偏置当外加电压使PN结两端的电场减弱时，载流子更容易扩散，电流增大。反向偏置当外加电压使PN结两端的电场增强时，载流子更难扩散，电流很小。3.二极管的特性1电流-电压特性二极管的电流-电压特性呈非线性，具有单向导电性。2工作状态导通状态、截止状态和饱和状态。3等效电路模型理想二极管、正向电压降、反向漏电流。二极管的电流-电压特性正向当外加电压为正时，二极管导通，电流迅速增大。反向当外加电压为负时，二极管截止，电流很小。二极管的几种工作状态二极管的等效电路模型理想二极管假设正向导通时电压为零，反向截止时电流为零。正向电压降实际二极管导通时，存在一个正向电压降，约为0.7V。反向漏电流实际二极管反向截止时，存在一个微小的反向漏电流。4.特殊二极管稳压二极管在反向偏置下，具有稳定的电压降，用于稳压电路。光电二极管利用光照产生电流，用于光电探测和光通信。雪崩二极管在反向偏置下，可承受较高的电压，用于高压电路。稳压二极管稳压特性当反向电压超过击穿电压时，电流急剧增大，电压保持稳定。应用用于稳压电路，例如电源稳压和电压参考电路。光电二极管原理光照射光电二极管，产生光电流。应用用于光电探测、光通信、自动控制等。雪崩二极管1雪崩击穿当反向电压超过击穿电压时，载流子碰撞产生更多载流子，电流迅速增大。2应用用于高压电路、脉冲电路、信号处理等。5.双极型晶体管工作原理和特性利用基极电流控制集电极电流，具有放大作用。共射极放大电路常用的放大电路，具有电流放大和电压放大功能。应用用于放大、开关、信号处理等。工作原理和特性1NPN型发射极发射电子，基极控制电流，集电极收集电子。2PNP型发射极发射空穴，基极控制电流，集电极收集空穴。3放大作用基极电流的变化可以引起集电极电流的较大变化。共射极放大电路特点输入阻抗低，输出阻抗高，电压放大倍数大。应用广泛应用于音频放大、信号放大等。双极型晶体管的应用6.场效应晶体管1工作原理和特性利用栅极电压控制漏极电流，具有高输入阻抗、低噪声等特点。2共源极放大电路常用的放大电路，具有电压放大和电流放大功能。3应用用于放大、开关、信号处理等，应用范围广泛。工作原理和特性栅极控制漏极电流的电压，类似于双极型晶体管的基极。源极漏极电流的源头，类似于双极型晶体管的发射极。漏极收集电流，类似于双极型晶体管的集电极。共源极放大电路特点输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大倍数大。应用广泛应用于高频放大、低噪声放大等。场效应晶体管的应用放大应用于音频放大、射频放大等。开关用于电子开关、信号控制等。7.集成电路基础1MOS集成电路工艺利用金属氧化物半导体(MOS)结构制作集成电路，具有体积小、功耗低、集成度高等优点。2逻辑门电路集成电路的基本组成单元，用于实现逻辑运算，例如与门、或门、非门等。3应用集成电路广泛应用于计算机、通信、消费电子等领域。MOS集成电路工艺1氧化在硅片表面生长氧化层，作为绝缘层。2光刻利用光刻技术，在氧化层上刻