《半導體器件》課件

《半導體器件》本課程介紹半導體器件的基本原理、特性和應用。課程大綱1.半導體物理基礎介紹半導體材料、能量帶理論、載流子濃度等基本概念。2.PN結的基本性質探討PN結的形成、電勢分布、空間電荷區(qū)和正反向特性。3.二極管的特性分析二極管的電流-電壓特性、工作狀態(tài)和等效電路模型。4.特殊二極管介紹穩(wěn)壓二極管、光電二極管、雪崩二極管等特殊二極管。1.半導體物理基礎1半導體材料硅、鍺等材料，具有導電性能介于導體和絕緣體之間的特點。2能量帶理論解釋半導體材料中電子能級的分布和躍遷現(xiàn)象。3載流子濃度分析半導體中自由電子和空穴的濃度及其影響因素。半導體材料1硅最常用的半導體材料，具有良好的物理和化學性能。2鍺較硅更易加工，但性能較差。3砷化鎵高速半導體材料，應用于高頻器件。能量帶理論價帶電子占據(jù)的能級范圍，對應于原子中電子的結合能級。導帶電子可以自由運動的能級范圍，對應于原子中電子的自由能級。禁帶價帶和導帶之間的能級范圍，電子無法占據(jù)，決定了材料的導電性能。載流子濃度本征半導體電子和空穴濃度相等，受溫度影響。摻雜半導體通過加入雜質改變載流子濃度，分為N型和P型。載流子壽命載流子從產(chǎn)生到復合的時間，影響器件的性能。2.PN結的基本性質1PN結的形成在N型和P型半導體材料的接觸面上形成的界面。2電勢分布和空間電荷區(qū)由于載流子的擴散，在PN結兩側形成空間電荷區(qū)，產(chǎn)生電勢差。3正向和反向特性PN結的電流-電壓特性取決于外加電壓的方向，分為正向和反向特性。PN結的形成1N型半導體摻入五價元素，例如磷，形成多余的自由電子。2P型半導體摻入三價元素，例如硼，形成多余的空穴。3PN結N型和P型半導體接觸后，載流子擴散，形成空間電荷區(qū)。電勢分布和空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN結兩側的載流子擴散形成的區(qū)域，電場強度較大。電勢差空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電場形成電勢差，阻止載流子進一步擴散。正向和反向特性正向偏置當外加電壓使PN結兩端的電場減弱時，載流子更容易擴散，電流增大。反向偏置當外加電壓使PN結兩端的電場增強時，載流子更難擴散，電流很小。3.二極管的特性1電流-電壓特性二極管的電流-電壓特性呈非線性，具有單向導電性。2工作狀態(tài)導通狀態(tài)、截止狀態(tài)和飽和狀態(tài)。3等效電路模型理想二極管、正向電壓降、反向漏電流。二極管的電流-電壓特性正向當外加電壓為正時，二極管導通，電流迅速增大。反向當外加電壓為負時，二極管截止，電流很小。二極管的幾種工作狀態(tài)二極管的等效電路模型理想二極管假設正向導通時電壓為零，反向截止時電流為零。正向電壓降實際二極管導通時，存在一個正向電壓降，約為0.7V。反向漏電流實際二極管反向截止時，存在一個微小的反向漏電流。4.特殊二極管穩(wěn)壓二極管在反向偏置下，具有穩(wěn)定的電壓降，用于穩(wěn)壓電路。光電二極管利用光照產(chǎn)生電流，用于光電探測和光通信。雪崩二極管在反向偏置下，可承受較高的電壓，用于高壓電路。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓特性當反向電壓超過擊穿電壓時，電流急劇增大，電壓保持穩(wěn)定。應用用于穩(wěn)壓電路，例如電源穩(wěn)壓和電壓參考電路。光電二極管原理光照射光電二極管，產(chǎn)生光電流。應用用于光電探測、光通信、自動控制等。雪崩二極管1雪崩擊穿當反向電壓超過擊穿電壓時，載流子碰撞產(chǎn)生更多載流子，電流迅速增大。2應用用于高壓電路、脈沖電路、信號處理等。5.雙極型晶體管工作原理和特性利用基極電流控制集電極電流，具有放大作用。共射極放大電路常用的放大電路，具有電流放大和電壓放大功能。應用用于放大、開關、信號處理等。工作原理和特性1NPN型發(fā)射極發(fā)射電子，基極控制電流，集電極收集電子。2PNP型發(fā)射極發(fā)射空穴，基極控制電流，集電極收集空穴。3放大作用基極電流的變化可以引起集電極電流的較大變化。共射極放大電路特點輸入阻抗低，輸出阻抗高，電壓放大倍數(shù)大。應用廣泛應用于音頻放大、信號放大等。雙極型晶體管的應用6.場效應晶體管1工作原理和特性利用柵極電壓控制漏極電流，具有高輸入阻抗、低噪聲等特點。2共源極放大電路常用的放大電路，具有電壓放大和電流放大功能。3應用用于放大、開關、信號處理等，應用范圍廣泛。工作原理和特性柵極控制漏極電流的電壓，類似于雙極型晶體管的基極。源極漏極電流的源頭，類似于雙極型晶體管的發(fā)射極。漏極收集電流，類似于雙極型晶體管的集電極。共源極放大電路特點輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大倍數(shù)大。應用廣泛應用于高頻放大、低噪聲放大等。場效應晶體管的應用放大應用于音頻放大、射頻放大等。開關用于電子開關、信號控制等。7.集成電路基礎1MOS集成電路工藝利用金屬氧化物半導體(MOS)結構制作集成電路，具有體積小、功耗低、集成度高等優(yōu)點。2邏輯門電路集成電路的基本組成單元，用于實現(xiàn)邏輯運算，例如與門、或門、非門等。3應用集成電路廣泛應用于計算機、通信、消費電子等領域。MOS集成電路工藝1氧化在硅片表面生長氧化層，作為絕緣層。2光刻利用光刻技術，在氧化層上刻