《電工學(xué)半導(dǎo)體器》課件

電工學(xué)半導(dǎo)體器件本課程將深入探討半導(dǎo)體器件的原理、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用，內(nèi)容涵蓋二極管、晶體管、場效應(yīng)管等基本器件，并介紹它們在電路中的實(shí)際應(yīng)用。課程教學(xué)目標(biāo)了解半導(dǎo)體器件的基本概念掌握半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和PN結(jié)的基本工作原理。學(xué)習(xí)二極管、三極管和場效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。掌握半導(dǎo)體器件的特性學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件的伏安特性、電流放大倍數(shù)等重要參數(shù)。了解半導(dǎo)體器件在電子電路中的應(yīng)用和分類。半導(dǎo)體器件的基本概念導(dǎo)電性半導(dǎo)體介于導(dǎo)體和絕緣體之間，其電阻率介于兩者之間。半導(dǎo)體的電阻率受溫度、雜質(zhì)和光照的影響。種類常見的半導(dǎo)體材料包括硅、鍺和砷化鎵，它們在電子器件中廣泛應(yīng)用。用途半導(dǎo)體器件廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中，例如計(jì)算機(jī)、手機(jī)、電視和汽車，為現(xiàn)代生活提供了基礎(chǔ)。半導(dǎo)體材料的性質(zhì)半導(dǎo)體材料具有獨(dú)特的電學(xué)性質(zhì)，介于導(dǎo)體和絕緣體之間。其電阻率隨溫度、光照、摻雜等因素發(fā)生變化。半導(dǎo)體材料的應(yīng)用非常廣泛，例如在電子器件、光電器件、傳感器等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。PN結(jié)的工作原理1擴(kuò)散電流多數(shù)載流子從濃度高的一側(cè)向濃度低的一側(cè)擴(kuò)散，形成擴(kuò)散電流2漂移電流由于電場的作用，少數(shù)載流子從濃度低的一側(cè)向濃度高的一側(cè)漂移，形成漂移電流3平衡狀態(tài)擴(kuò)散電流和漂移電流相等，PN結(jié)處于平衡狀態(tài)4外加電壓當(dāng)外加正向電壓時(shí)，擴(kuò)散電流大于漂移電流，PN結(jié)導(dǎo)通5反向電壓當(dāng)外加反向電壓時(shí)，漂移電流大于擴(kuò)散電流，PN結(jié)截止PN結(jié)是半導(dǎo)體器件的基本單元，其工作原理是基于載流子的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)。在平衡狀態(tài)下，擴(kuò)散電流和漂移電流相等，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)外加正向電壓時(shí)，PN結(jié)導(dǎo)通，擴(kuò)散電流大于漂移電流。當(dāng)外加反向電壓時(shí)，PN結(jié)截止，漂移電流大于擴(kuò)散電流。PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)的伏安特性曲線分為正向和反向兩部分。正向電壓下，電流隨電壓呈指數(shù)增長。反向電壓下，電流很小，幾乎不變，稱為反向飽和電流。半導(dǎo)體二極管的工作原理1PN結(jié)的形成正負(fù)半導(dǎo)體材料結(jié)合，形成PN結(jié)。2偏置電壓施加正向電壓，電子和空穴流動(dòng)，形成電流。3電流方向正向電壓下，電流方向從正極流向負(fù)極。4反向偏置施加反向電壓，PN結(jié)形成阻擋層，電流極小。PN結(jié)是半導(dǎo)體二極管的核心，它決定了二極管的導(dǎo)電特性。半導(dǎo)體二極管的特性正向特性反向特性正向電壓較低時(shí)，電流很小反向電壓較低時(shí)，電流很小，基本保持恒定正向電壓超過閾值電壓后，電流迅速增加反向電壓超過擊穿電壓后，電流急劇增加二極管的主要應(yīng)用1整流二極管可用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，這在電子設(shè)備中至關(guān)重要。2保護(hù)二極管可用作過壓保護(hù)裝置，防止敏感電路元件因過壓而損壞。3開關(guān)二極管可以作為開關(guān)，控制電流在電路中的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)信號傳遞或控制功能。4穩(wěn)壓某些類型的二極管具有穩(wěn)壓功能，可用于保持電路中的電壓穩(wěn)定。三極管的基本結(jié)構(gòu)三極管是一種具有三個(gè)引腳的半導(dǎo)體器件，它由PN結(jié)組成。三極管的主要結(jié)構(gòu)由發(fā)射極、基極和集電極三個(gè)部分組成。發(fā)射極與基極之間形成PN結(jié)，基極與集電極之間形成PN結(jié)，發(fā)射極和集電極之間通過基極連接。三極管的工作原理電流放大三極管可以將輸入的小電流放大為輸出的大電流?；鶚O控制基極電流控制著集電極電流和發(fā)射極電流的大小。工作狀態(tài)三極管有三種工作狀態(tài)：截止?fàn)顟B(tài)、放大狀態(tài)和飽和狀態(tài)。三極管的特性曲線三極管的特性曲線用于描述三極管在不同工作狀態(tài)下的電流、電壓關(guān)系。通過分析特性曲線，可以了解三極管的放大能力、工作范圍以及各種參數(shù)。1輸入特性基極電流與基極電壓的關(guān)系2輸出特性集電極電流與集電極電壓的關(guān)系3轉(zhuǎn)移特性集電極電流與基極電流的關(guān)系三極管的基本放大電路1共射放大電路輸入信號加在基極，輸出信號從集電極取得。由于基極電流很小，集電極電流變化很大，因此放大倍數(shù)高。2共集放大電路輸入信號加在基極，輸出信號從發(fā)射極取得。該電路具有電流放大作用，但電壓放大倍數(shù)小于1。3共基放大電路輸入信號加在發(fā)射極，輸出信號從集電極取得。該電路具有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點(diǎn)。三極管的分類及應(yīng)用NPN型和PNP型根據(jù)材料的類型和摻雜情況，三極管分為NPN型和PNP型兩種。通用型三極管廣泛應(yīng)用于放大、開關(guān)、信號處理等領(lǐng)域。專用型三極管針對特定應(yīng)用場景設(shè)計(jì)，例如射頻三極管、高頻三極管等。場效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)N溝道場效應(yīng)管N溝道場效應(yīng)管由一塊N型半導(dǎo)體材料制成，其內(nèi)部包含一個(gè)P型半導(dǎo)體區(qū)域，稱為“溝道”。P溝道場效應(yīng)管P溝道場效應(yīng)管由一塊P型半導(dǎo)體材料制成，其內(nèi)部包含一個(gè)N型半導(dǎo)體區(qū)域，稱為“溝道”。場效應(yīng)管的工作原理柵極電壓控制場效應(yīng)管是一種電流控制型器件，通過施加?xùn)艠O電壓來控制漏極電流。電場效應(yīng)柵極電壓在溝道中形成電場，控制溝道中載流子的濃度，從而影響漏極電流。通道開啟與關(guān)閉當(dāng)柵極電壓足夠高時(shí)，溝道被開啟，漏極電流可以流通。當(dāng)柵極電壓降低時(shí)，溝道被關(guān)閉，漏極電流被阻斷。電流放大場效應(yīng)管可以利用微小的柵極電壓變化來控制更大的漏極電流變化，實(shí)現(xiàn)電流放大。場效應(yīng)管的特性曲線場效應(yīng)管的特性曲線是描述場效應(yīng)管的電流與電壓之間關(guān)系的圖形。通過特性曲線，可以了解場效應(yīng)管的導(dǎo)通特性、放大特性和飽和特性。場效應(yīng)管的特性曲線與二極管和三極管類似，但更復(fù)雜。場效應(yīng)管的特性曲線可以用于設(shè)計(jì)和分析場效應(yīng)管電路，幫助工程師選擇合適的場效應(yīng)管，并確保電路的正常工作。不同的場效應(yīng)管具有不同的特性曲線。特性曲線的形狀取決于場效應(yīng)管的類型、尺寸和制造工藝。工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用選擇合適的場效應(yīng)管，并根據(jù)其特性曲線進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。場效應(yīng)管的主要應(yīng)用模擬電路場效應(yīng)管廣泛應(yīng)用于音頻放大器、視頻放大器、低噪聲放大器等領(lǐng)域，可用于構(gòu)建高性能模擬電路。數(shù)字電路場效應(yīng)管可用于構(gòu)建數(shù)字邏輯電路，例如邏輯門、觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器等，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。電力電子場效應(yīng)管具有高速開關(guān)特性，廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域，例如功率轉(zhuǎn)換器、逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。傳感器場效應(yīng)管可作為敏感元件，應(yīng)用于各種傳感器，例如溫度傳感器、壓力傳感器、光傳感器等。光電器件的基本原理1光電效應(yīng)光電效應(yīng)指光照射到金屬表面時(shí)，金屬中的電子吸收光能而從金屬表面逸出的現(xiàn)象。2光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)指當(dāng)光照射到PN結(jié)或肖特基結(jié)時(shí)，光能被半導(dǎo)體材料吸收，產(chǎn)生電子-空穴對，從而在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象。3光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)指當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象。LED的工作原理及應(yīng)用1PN結(jié)正向偏壓2電子-空穴復(fù)合釋放能量3光子發(fā)射可見光4光電轉(zhuǎn)換電流信號LED的應(yīng)用廣泛。例如，LED燈泡、LED顯示屏、LED背光源等。LED相比傳統(tǒng)光源具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。光電二極管的特性及應(yīng)用光電二極管的特性光電二極管是一種光敏器件，它可以將光能轉(zhuǎn)換為電能。其主要特性包括光敏度、響應(yīng)速度、暗電流和工作電壓。應(yīng)用領(lǐng)域光電二極管廣泛應(yīng)用于光探測、光通信、自動(dòng)控制、安防等領(lǐng)域。例如，在光探測中，它可以用于光強(qiáng)測量、光譜分析等。光敏電阻的工作原理及應(yīng)用工作原理光敏電阻的電阻值會(huì)隨著光照強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)光照射到光敏電阻上時(shí)，電阻值會(huì)減小，反之則會(huì)增大。應(yīng)用場景光敏電阻廣泛應(yīng)用于光電檢測、自動(dòng)控制、弱光照明等領(lǐng)域，例如自動(dòng)門、光線感應(yīng)器、相機(jī)曝光控制等。優(yōu)點(diǎn)光敏電阻結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，響應(yīng)速度快，在弱光環(huán)境下也能夠保持較高的靈敏度，因此在實(shí)際應(yīng)用中具有較大的優(yōu)勢。光電池的工作原理及應(yīng)用1光電效應(yīng)光照射到PN結(jié)上2電子-空穴對產(chǎn)生電子-空穴對3電流形成光生電流4能量轉(zhuǎn)換光能轉(zhuǎn)換為電能光電池可以應(yīng)用于太陽能電池板、太陽能發(fā)電站、太陽能充電器等領(lǐng)域。光電池技術(shù)可用于解決能源危機(jī)，具有環(huán)保、清潔、可再生等優(yōu)點(diǎn)。OLED的工作原理及應(yīng)用1OLED的工作原理有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）是一種新型的平面顯示技術(shù)，其基本原理是利用有機(jī)材料的電致發(fā)光現(xiàn)象。2OLED的應(yīng)用OLED具有自發(fā)光、高亮度、高對比度、低功耗、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電視、筆記本電腦等顯示設(shè)備。3OLED的未來發(fā)展隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，OLED的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)展，未來將應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、車載顯示等領(lǐng)域。固態(tài)器件的發(fā)展趨勢11.高集成度集成度不斷提高，芯片功能更強(qiáng)大，尺寸更小，功耗更低。22.高性能速度更快，效率更高，性能更穩(wěn)定，應(yīng)用范圍更廣。33.高可靠性使用壽命更長，抗干擾能力更強(qiáng)，安全性更高。44.低功耗功耗更低，更節(jié)能環(huán)保，符合可持續(xù)發(fā)展理念。半導(dǎo)體器件應(yīng)用案例分享移動(dòng)設(shè)備手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備廣泛使用半導(dǎo)體器件。汽車電子汽車電子控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)等都離不開半導(dǎo)體器件。新能源太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車等新能源領(lǐng)域大量使用半導(dǎo)體器件。醫(yī)療器械醫(yī)療影像設(shè)備、診斷儀器、治療設(shè)備等醫(yī)療器械廣泛應(yīng)用半導(dǎo)體器件。本章知識重點(diǎn)總結(jié)半導(dǎo)體器件的基本概念半導(dǎo)體材料及其基本性質(zhì)，PN結(jié)的工作原理、伏安特性。二極管二極管的工作原理、伏安特性，二極管的主要應(yīng)用。三極管三極管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線，基本放大電路，三極管的分類及應(yīng)用。場效應(yīng)管場效應(yīng)管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線，主要應(yīng)用。本章知識拓展除了本章介紹的基本概念和原理，半導(dǎo)體器件還有許多更深入的知識值得探索。例如，可以深入學(xué)習(xí)不同類型半導(dǎo)體材料的特性，包括硅、鍺、砷化鎵等。此外，可以研究不同類型半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，例如，在電力電子領(lǐng)域、通信領(lǐng)域、微電子領(lǐng)域、光電領(lǐng)域等都有廣泛應(yīng)用。還可以了解半導(dǎo)體器件未來的發(fā)展趨勢，例如，納米器件、量子器件等，以及未來