半导体器件类型与特性
什么是半导体器件常见的半导体器件有哪些
什么是半导体器件常见的半导体器件有哪些半导体器件是指在半导体材料基础上制造的电子器件。
它具有介于导体与绝缘体之间的特性，既能够传导电流，又能够控制电流的大小和方向。
半导体器件广泛应用于电子、通信、计算机、光电等领域，是现代科技发展的基础之一。
半导体器件的种类繁多，涵盖了许多不同的功能和应用。
下面将介绍一些常见的半导体器件：1. 整流器件整流器件用于将交流电转换为直流电，常见的整流器件有二极管和整流桥。
二极管是最基础的半导体器件之一，通过正向电压使电流通路畅通，而反向电压则阻止电流流动。
整流桥由四个二极管组成，可以实现更高效的电流转换。
2. 放大器件放大器件可以将输入信号信号放大输出，常见的放大器件有晶体管和场效应晶体管（FET）。
晶体管通过控制输入电流，改变输出电流的放大倍数，广泛应用于各种放大和开关电路中。
FET则是利用场效应原理，通过控制栅极电压来调节输出电流。
3. 逻辑器件逻辑器件用于实现逻辑运算和数据处理，常见的逻辑器件有门电路、触发器和寄存器。
门电路包括与门、或门、非门等，用于实现与、或、非等逻辑运算。
触发器和寄存器则用于存储和传输数据，实现时序逻辑功能。
4. 可控器件可控器件可以通过控制信号来改变器件的电特性，常见的可控器件有可控硅（SCR）和可控开关。
可控硅是一种具有双向导电性的半导体器件，可以实现高压大电流的控制。
可控开关通过改变输入信号的状态，控制输出电路的导通和断开。
5. 光电器件光电器件将光信号转换为电信号，或将电信号转换为光信号。
常见的光电器件有光电二极管、光敏电阻和光电晶体管。
光电二极管具有较快的响应速度，可用于光电转换和光通信。
光敏电阻对光信号具有较大的灵敏度，常用于光控开关和光敏电路。
光电晶体管通过光控电流来控制电流的通断，常用于光电触发器和光电继电器。
除了以上提到的常见半导体器件，还有诸如二极管激光器、发光二极管（LED）、MOSFET、IGBT等。
这些器件在不同的应用领域发挥着重要的作用，推动着科技的不断进步和创新。
半导体器件的基本知识
半导体器件的基本知识半导体器件的基本知识，真是个神奇的世界。
咱们常常提到“半导体”，脑海里浮现出那些小小的芯片，觉得它们离我们有点遥远。
其实，半导体就在我们身边，像个无形的助手，让生活变得更加便利。
一、半导体的基本概念1.1 半导体是什么？半导体，简单来说，就是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它们在某些条件下能导电，在其他情况下又不导电。
是不是听上去有点神秘？其实，最常见的半导体材料就是硅。
我们用的手机、电脑，里面的处理器，几乎都离不开硅的身影。
1.2 半导体的特性半导体有很多奇妙的特性，比如它的电导率。
温度变化、杂质掺入，都会影响它的导电性能。
说白了，半导体的电性就像人心一样，瞬息万变。
通过控制这些特性，工程师们可以设计出各种各样的电子器件。
二、半导体器件的类型2.1 二极管咱们来聊聊二极管。
这小家伙看似简单，却是半导体世界的基石。
二极管只允许电流朝一个方向流动。
它就像个单行道，确保电流不走回头路。
常见的应用就是整流器，把交流电转成直流电。
这在生活中非常重要，大家用的手机充电器，就离不开二极管的帮助。
2.2 晶体管接下来是晶体管。
晶体管的发明可谓是科技界的一场革命。
它不仅能放大电信号，还能用作开关，控制电流的流动。
晶体管的出现，让电子产品变得更小、更快。
你知道吗？现代计算机的核心，CPU，里面就有成千上万的晶体管在默默工作。
2.3 其他器件还有很多其他的半导体器件，比如场效应管、光电二极管等。
每种器件都有其独特的用途和应用领域。
它们一起构成了一个复杂而又和谐的生态系统。
可以说，半导体器件的多样性是现代科技发展的动力。
三、半导体的应用3.1 消费电子说到应用，咱们首先想到的就是消费电子。
手机、平板、电视，都是半导体的舞台。
随着科技的进步，半导体技术不断演变，产品功能越来越强大，性能越来越高。
可以说，半导体让我们的生活变得丰富多彩。
3.2 工业应用除了消费电子，半导体在工业中也大显身手。
自动化设备、传感器、控制系统，全都依赖于半导体技术的支持。
功率半导体器件要点
功率半导体器件要点功率半导体器件是指用于控制和转换电力的半导体器件，其具有承载高电流和高电压的特点。
在电力电子领域中，功率半导体器件广泛应用于电力变换、传输和控制系统中，起到关键的作用。
本文将重点介绍功率半导体器件的要点，包括常见的功率半导体器件类型、特性与工作原理、应用领域和发展趋势等方面。
1.常见的功率半导体器件类型常见的功率半导体器件包括功率二极管、功率晶体管、功率场效应管（MOSFET）、可控硅（SCR）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。
每种器件都有自己特殊的工作原理、结构和性能特点，适用于不同的应用场合。
2.功率半导体器件的特性与工作原理不同类型的功率半导体器件具有不同的特性和工作原理。
例如，功率二极管通常用作电流开关和快速恢复整流器，其主要特点是低电压降、快速开关速度和高导通电流能力。
功率晶体管在电力放大和开关电路中广泛使用，具有高功率放大能力和较高的开关速度。
功率场效应管主要有MOSFET和IGBT两种类型，其特点是低输入阻抗、高开关速度和较低的控制电压。
可控硅主要用于交流电控制和直流电开关，其工作原理是通过施加门极电压来控制器件的导通。
3.功率半导体器件的应用领域功率半导体器件在电力电子领域有广泛的应用。
例如，功率二极管通常用于电源、电机驱动和变频器等电路中。
功率晶体管广泛应用于功率放大、开关和变换器等电路。
功率场效应管主要用于集成电路和电力开关等领域。
可控硅被广泛应用于交流变频器、电动机起动和照明控制等场合。
绝缘栅双极晶体管（IGBT）结合了晶体管和可控硅的特点，逐渐成为高功率应用的主流器件。
4.功率半导体器件的发展趋势随着电力电子的广泛应用和需求的增加，功率半导体器件面临着高功率、高频率、高效率和小型化等方面的挑战。
近年来，功率半导体器件在结构设计、材料改进和工艺制造等方面取得了重大进展。
新型材料如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的应用，使功率半导体器件具有更高的工作温度、更高的开关速度和更低的导通电阻。
第一章半导体器件的特性讲解
主要内容及要求
1.1 半导体的导电特性 1.2 PN结 1.3 二极管 1.4 双极型晶体管（BJT） 1.5 场效应管（FET）
基础，必须掌握： 基本概念，原理， 特征曲线、参数， 应用等。
了解原理，掌握特 征曲线、参数。
1.1 半导体的导电特性
半导体材料：
物质根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分 导体、绝缘体和半导体。 －4 导 体：ρ<10 Ω·cm 9 绝缘体：ρ>10 Ω·cm 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间。 典型的元素半导体有硅Si和锗Ge ，此外，还有 化合物半导体砷化镓GaAs等。
1.5 场效应管
二、工作原理
VDS=0时， VGS 对沟道的控制作用
当VGS＜0时， PN结反偏，| VGS | 耗尽层加厚沟道变窄。 VGS继续 减小，沟道继续变窄，当沟道夹断时， 对应的栅源电压VGS称为夹断电压VP （ 或VGS(off) ）。 对于N沟道的JFET，VP <0。 若在漏源极间加上适当电压，沟道中有 电流ID流过。 VGS＝0时，ID较大； VGS＝VGS(off)时，ID近似为零， 这时管子截止。
1.5 场效应管
特点：
利用输入回路的电场效应控制输出回路的电流；仅靠半导体 中的多数载流子导电（单极型晶体管）；输入阻抗高 （107~1012），噪声低，热稳定性好，抗辐射能力强，功 耗小。
分类：
1.5 场效应管
1.5.1结型场效应管 一、结构
N沟道结型场效应管结构示意图
N沟道管符号
P沟道管符号
晶体管结构示意图
晶体管符号
1.4 双极型晶体管
生成类型：合金型和平面型
要实现电流放大作用，要求： 发射区掺杂浓度高； 基区薄且掺杂浓度低； 集电结面积大。
半导体物理与器件
有机半导体：由有机分子组成的半 导体，如蒽、萘等
半导体中的载流子
载流子的定义：在半导体中，能够自由移动的电子和空穴被称为载流子。 载流子的类型：自由电子、空穴、离子化杂质等。 载流子的运动：在电场作用下，载流子会发生漂移和扩散两种运动。 载流子的作用：载流子是半导体器件工作的基础，它们的运动和相互作用决定了器件的性能。
生物芯片等
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频率特性参数
频率响应：描述器 件在不同频率下的 性能
截止频率：器件能 够正常工作的最高 频率
增益带宽积：描述 器件在增益和带宽 之间的权衡关系
噪声系数：描述器 件在放大信号时的 噪声性能
噪声特性参数
噪声源：半导体器件内部 的热噪声、散粒噪声等
噪声类型：白噪声、粉红 噪声、布朗噪声等
噪声影响：影响器件的信 噪比、增益、带宽等性能
半导体物理与器件
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目录
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01
半导体物理基础
02
半导体器件工作原理
03
半导体器件的特性参 数
04
半导体器件的应用领 域
05
半导体器件的发展趋 势与挑战
06
添加章节标题
半导体物理基础
半导体的定义与特性
半导体：介于导体和绝缘体之 间的材料
半导体的特性：导电性受温度、 光照、电场等外界因素影响
半导体的能带结构
半导体的能带结构：由价 带、导带和禁带组成
价带：电子占据的最高能 级，电子不能在此能级上 自由移动
导带：电子占据的最低能 级，电子可以在此能级上 自由移动
禁带：价带和导带之间的 能量区域，电子不能在此 区域内自由移动
半导体的能带结构决定了 其电导性质和光学性质
半导体器件
+
COM
BUZZ 2.5 25 250 BATT DC mA
+
红表笔
2
1
3 4
红表笔
【练习五】 1、用万用表测量指定二极管的正向和反向电 阻，判断其是硅还是锗材料的，判断正极和负极。
2、使用数字式万用表和指针式万用表的电阻 挡进行判别给定桥式整流器引脚和的好坏。 3、用万用表测量指定稳压二极管，粗略判断 其稳压值。
一、普通二极管
把一块P型和一块N型半导体结合在一起构成 PN结，也就成为半导体二极管的基本结构，分别 引出正极和负极电极就成了一个二极管。
+ + P N P N + -
二极管的符号
+
-
二极管的符号如上图所示；正极也称阳极， 可用字母A表示,负极也称阴极，用字母K表示。
-
+
Hale Waihona Puke 1、普通二极管的类型 二极管主要有硅和锗两种类型，硅二极管的 漏电电流小、反向击穿电压高，但正向压降也高， 约为0.7V。锗二极管的漏电电流相对较大、反向 击穿电压较低，但正向压降小约为0.2V。 二极管结构有点接触型和面接触型的两种， 点接触型二极管的PN结面积很小，只能承受较小 的电流，但能在高频电路中工作，适用于检波、 调制和各种开关电路。面接触型二极管具有电流 大，但结电容较大，适用于低频交流电的整流， 不适用于高频电路。
② 发光二极管的外形和符号 常见的发光二极管的外形有直径2、3、5(mm) 圆形的和2×5(mm)长方型的，发光二极管也具有单 向导电的性质，只有加上正向电压才会发光。 发光二极管符号如下图。通常发光二极管用来 做电路工作的指示，它比小灯泡的效率高得多，而 且寿命也长得多。
半导体材料的分类_及其各自的性能
其中晶态半导体又可以分为单晶半导体和多晶半导体。
上述材料中，锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)都是单晶，是由均一的晶粒有序堆积组成；而多晶则是由很多小晶粒杂乱地堆积而成。
对于非晶态半导体，有非晶态硅、非晶态锗等，它们没有规则的外形，也没有固定熔点，内部结构不存在长程有序，只是在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列，称作短程有序。
另外，在实际应用中，根据半导体材料中是否含有杂质，又可以将半导体材料分为本征半导体和杂质半导体。
在下面的章节中将会介绍，杂质的存在将对材料的性能产生很大的影响。
二. 半导体材料的结构及其性能1.几种半导体材料的结构1.1金刚石结构型材料Si、Ge等Ⅳ族元素有4个未配对的价电子，每个原子只能与周围4个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为8个电子的闭合壳层，因此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是 4。
方向性是指原子间形成共价键时，电子云的重叠在空间一定方向上具有最高密度，这个方向就是共价键方向。
共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为109°28′，这种正四面体称为共价四面体，见图 1.2。
图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条线的方向表示共价键方向。
共价四面体中如果把原子粗略看成圆球并且最近邻的原子彼此相切，圆球半径就称为共价四面体半径。
单纯依靠图1.2那样的一个四面体还不能表示出各个四面体之间的相互关系，为充分展示共价晶体的结构特点，图1.3(a)画出了由四个共价四面体所组成的一个Si、Ge晶体结构的晶胞，统称为金刚石结构晶胞，整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成。
它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一个原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子。
金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互平移 1/4 对角线长度套构而成的。
半导体器件基础知识
半导体基础知识一、半导体本础知识（一）半导体自然界的物质按其导电能力区别，可分为导体、半导体、绝缘体三类。
半导体是导电能力介于导体和绝缘体之前的物质，其电阻率在10-3~109Ω范围内。
用于制作半导体元件的材料通常用硅或锗材料。
（二）半导体的种类在纯净的半导体中掺入特定的微量杂质元素，能使半导体的导电能力大提高。
掺入杂质后的半导体称为杂质半导体。
根据掺杂元素的性质不同，杂质半导体可分为N型和P型半导体。
（三）PN结及其特性1、PN结：PN结是构成半导体二极管、三极管、场效应管和集成电路的基础。
它是由P型半导体和N型半导体相“接触”后在它们交界处附近形成的特殊带电薄层。
2、PN结的单向导电性：当PN结外加正向电压（又叫正向偏置）时，PN结会表现为一个很小的电阻，正向电流会随外加的电压的升高而急速上升。
称这时的PN结处于导通状态。
当PN结外加反向电压（以叫反向偏置）时，PN结会表现为一个很大的电阻，只有极小的漏电流通过且不会随反向电压的增大而增大，这时的电流称为反向饱和电流。
称这时的PN结处于截止状态。
当反向电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。
这时的反向电压称为反向击穿电压，不同结构、工艺和材料制成的管子，其反向击穿电压值差异很大，可由1伏到几百伏，甚至高达数千伏。
3、频率特性由于结电容的存在，当频率高到某一程度时，容抗小到使PN结短路。
导致二极管失去单向导电性，不能工作，PN结面积越大，结电容也越大，越不能在高频情况下工作。
二、半导体二极管（一）半导体二极管及其基本特性1、半导体二极管：半导体二极管（简称为二极管）是由一个PN结加上电极引线并封装在玻璃或塑料管壳中而成的。
其中正极（或称为阳极）从P区引出，负极（或称为阴极）从N区引出。
以下是常见的一些二极管的电路符号：普通二极管稳压二极管发光二极管整流桥堆2、二极管的伏安特性二极管的伏安特征如下图所示：二极管的伏安特性曲线（二）二极管的分类二极管有多种分类方法1、按使用的半导体材料分类二极管按其使用的半导体材料可分为锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管、磷化镓二极管等。
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1.1.2掺杂特性
在本征半导体中掺入少量的特殊元素， 就构成杂质半导体。杂质半导体的导电 能力大大增强，且掺入的杂质越多，其 导电能力越强，这就是半导体的掺杂特 性。当然，掺入的杂质是有严格控制的， 根据掺入杂质化合价的不同，杂质半导 体分为N型半导体和P型半导体两大类。
半导体器件类型和特性
1. N型半导体
半导体器件类型和特性
同样，又可从C处移至D处，因此，空穴似 乎可以在半导体中自由移动，这实质上是价电 子填补空穴的运动。在电场作用下，大量的价 电子依次填补空穴的定向运动形成电流，为区 别于自由电子的运动，把这种价电子填补空穴 的运动叫“空穴运动”。通常认为空穴是一种带 正电荷的载流子，它所带电量与电子相等，符 号相反。那么为什么不说是价电子的运动，而 说是空穴的运动呢？这是因为本征半导体的导 电能力只取决于电子—空穴对的多少，而与其 价电子的数目无关，只有少量的价电子在共价 键中依次作填补运动才起导电作用。
半导体器件类型和 特性
半导体器件类型和特性
1.1 半导体的特性 1.2 半导体二极管 1.3 半导体三极管 1.4 场效应三极管
半导体器件类型和特性
各种电子线路最重要的组成部分是半 导体器件。本章讨论半导体的特性和PN 结的单向导电性，然后分别介绍半导体 二极管、稳压二极管、双极性三极管以 及场效应管的结构、工作原理、特性曲 线、主要参数和等效电路。
半导体器件类型和特性
把在电场作用下，能运载电荷形成电流的 带电粒子称为载流子，显然自由电子是一种载 流子。电阻率高于109Ω·cm的物质为绝缘体， 如云母、橡胶等，最外层电子数大多为8个的 稳定结构，其原子核对最外层电子的束缚力很 大，常温下能形成自由电子的数目很少，因此 导电能力差。半导体的导电能力介于导体与绝 缘体之间，如硅、锗等。制造半导体器件的材 料都要制成单晶体，如单晶硅或单晶锗，它们 是由原子按一定的规则整齐地排列（空间点阵） 而成的，由于这种半导体非常纯净，几乎不含 杂质，结构又完整，所以称为本征半导体。
半导体器件类型和特性
可见，在本征半导体中存在两种载流 子：带负电的自由电子和带正电的空穴。 而金属导体中只有一种载流子——自由 电子，这是二者的一个重要区别。在本 征激发中，半导体中的电子—空穴对不 断地产生，同时当它们相遇时又重新被 共价键束缚，电子—空穴对消失，这种 现象叫“复合”。在一定的温度下，激发和 复合虽然不断地进行，但最终将处于动 态平衡状态，半导体中的载流子浓度保 持在某一定值。由于本征激发产生的电 子—空穴对的数目很少，因此本征半导 体的导电能力很弱。半导体器件类型和特性
半导体器件类型和特性
1.1 半导体的特性
自然界中的物质，依其导电能力的强 弱，通常可分为3大类：导体、绝缘体和 半导体。电阻率低于10-4Ω·cm的物质为 导体，如铜、铝等。导体原子的最外层 电子数目少，很容易摆脱原子核束缚而 形成自由电子，在外电场作用下，这些 自由电子将逆着电场方向作定向运动形 成较大的电流，因此导体的导电能力强。
半导体器件类型和特性
半导体的导电性能同样与其原子结构 有关。硅和锗的原子结构有一个共同点， 即都是四价元素，其原子的最外层电子 数都是4个，原子的最外层电子通常称为 价电子。价电子受核的束缚力最小，半 导体的导电性能与价电子有关，内层电 子与原子核构成稳定的惯性核，若用+4 代表惯性核所具有的电荷量，则可以用 图1.1表示硅或锗的简化原子结构模型。
半导体器件类型和特性
1.2
图 共 价 键 结 构
半导体器件类型和特性
1.1.1本征激发
本征半导体晶体原子间的共价键具有 很强的结合力，在绝对零度（-237℃） 时，价电子无法挣脱共价键的束缚，不 能自由移动，所以共价键内的价电子又 叫束缚电子，这样虽然有大量的价电子， 但没有自由电子，此时，半导体不导电。
半导体器件类型和特性
1.3
图 本 征 激 发 现 象
半导体器件类型和特性
本征激发产生的自由电子将在电场的 作用下定向运动形成电流，因此它构成 本征半导体中的一种载流子——电子载 流子。
那么当共价键中由于失去一个价电子 而出现一个空穴时，如图1.3中A处，与 其相邻的价电子很容易离开它所在的共 价键填补到这个空穴中来，使该价电子 原来所处的共价键中出现一个空穴，如 图1.3中C处，这样空穴便从A处移至C处。
在四价元素晶体中掺入微量的五价元 素，如磷、砷、锑等。组成共价键时， 多余的一个价电子处于共价键之外，束 缚力较弱而成为自由电子，同时杂质原 子变成带正电荷的离子。显然掺入的杂 质越多，杂质半导体的导电性能越好， 这种掺杂所产生的自由电子浓度远大于本征激发所产生的电子—空穴对的浓度， 所以杂质半导体的导电性能远超过本征 半导体。
半导体器件类型和特性
图1.1简化原子结构模型
半导体器件类型和特性
硅或锗制成单晶体后，由于晶体中原 子之间距离很近，价电子不仅受到其所 属原子核的作用，还受到相邻原子的原 子核的吸引，即一个价电子为相邻的两 个原子核所共有。如图1.2所示，这样， 相邻原子之间通过共有价电子的形式而 紧密结合起来，即形成“共价键”结构。
半导体器件类型和特性
当温度上升或受光照时，价电子以热 运动的形式不断从外界获得一定的能量， 少数价电子因获得的能量较大，而挣脱 共价键的束缚，成为自由电子，同时在 原来的共价键的相应位置上留下一个空 位，叫“空穴”，如图1.3的A处为空穴，B 处为自由电子，显然，自由电子和空穴 是成对出现的，所以称它们为电子—空 穴对。把在光或热的作用下，本征半导 体中产生电子—空穴对的现象，叫本征 激发。
半导体器件类型和特性
显然，这种杂质半导体中自由电子浓 度远大于空穴浓度，所以称电子为多数 载流子（又称多子），空穴为少数载流 子（又称少子），因为这种半导体的导 电能力主要依靠自由电子，所以称其为N 型半导体或电子型半导体。
半导体器件类型和特性
2. P型半导体
在四价晶体中掺入微量的三价元素，如铝、硼、 锢等，三价原子在与四价原子组成共价键时， 因缺少一个电子而产生一个空穴，很容易吸引 邻近的价电子来填补，于是杂质原子变为带负 电荷的离子，而在邻近的四价原子处出现一个 空穴，由于这种杂质原子能吸收电子，因此称 为“受主杂质”。在这种杂质半导体中，空穴浓 度远大于自由电子浓度，空穴为多子，自由电 子为少子。因为这种半导体的导电主要依靠空 穴，而空穴带正电荷，所以称其为P型半导体 或空穴型半导体。