《不平衡載流子傳輸》教學(xué)課件本課件旨在幫助學(xué)生理解半導(dǎo)體器件中不平衡載流子傳輸?shù)幕驹砗蛻?yīng)用。課程介紹本課程將深入探討半導(dǎo)體器件中不平衡載流子傳輸?shù)奈锢頇C(jī)制，并介紹其在各種電子器件中的應(yīng)用。學(xué)生將學(xué)習(xí)少數(shù)載流子注入、復(fù)合、擴(kuò)散和漂移等關(guān)鍵概念，以及它們對(duì)器件性能的影響。什么是不平衡載流子傳輸在半導(dǎo)體材料中，電子和空穴是兩種類(lèi)型的載流子。不平衡載流子傳輸指的是電子或空穴濃度在不同位置出現(xiàn)差異的現(xiàn)象。這種差異通常由外加電壓或光照引起，并導(dǎo)致電流的產(chǎn)生。不平衡載流子傳輸?shù)膽?yīng)用二極管：整流、開(kāi)關(guān)等晶體管：放大、開(kāi)關(guān)等光電二極管：光電轉(zhuǎn)換發(fā)光二極管：光電轉(zhuǎn)換少數(shù)載流子和多數(shù)載流子1在本征半導(dǎo)體中，電子和空穴的濃度相等。2在摻雜半導(dǎo)體中，一種類(lèi)型的載流子濃度高于另一種。3濃度高的載流子稱(chēng)為多數(shù)載流子，濃度低的載流子稱(chēng)為少數(shù)載流子。少數(shù)載流子的注入當(dāng)外加電壓或光照作用于PN結(jié)時(shí)，少數(shù)載流子會(huì)被注入到另一種類(lèi)型的半導(dǎo)體中。例如，在正向偏置的PN結(jié)中，電子被注入到P區(qū)，空穴被注入到N區(qū)。注入的少數(shù)載流子會(huì)使該區(qū)域的少數(shù)載流子濃度增加。少數(shù)載流子的復(fù)合1注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生復(fù)合。2復(fù)合會(huì)導(dǎo)致少數(shù)載流子消失，從而降低其濃度。3復(fù)合速率取決于材料特性和少數(shù)載流子濃度。少數(shù)載流子的擴(kuò)散濃度梯度當(dāng)少數(shù)載流子濃度在不同位置出現(xiàn)差異時(shí)，會(huì)產(chǎn)生濃度梯度。1隨機(jī)運(yùn)動(dòng)少數(shù)載流子會(huì)隨機(jī)移動(dòng)，試圖平衡濃度梯度。2擴(kuò)散電流少數(shù)載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散電流的產(chǎn)生。3少數(shù)載流子的漂移1電場(chǎng)當(dāng)外加電場(chǎng)作用于半導(dǎo)體材料時(shí)，少數(shù)載流子會(huì)受到電場(chǎng)力的作用。2定向運(yùn)動(dòng)少數(shù)載流子會(huì)沿電場(chǎng)方向發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。3漂移速度漂移速度取決于電場(chǎng)強(qiáng)度和載流子的遷移率。少數(shù)載流子的復(fù)合動(dòng)力學(xué)復(fù)合速率少數(shù)載流子消失的速率壽命少數(shù)載流子在復(fù)合消失之前平均存在的時(shí)長(zhǎng)復(fù)合中心導(dǎo)致復(fù)合發(fā)生的缺陷或雜質(zhì)少數(shù)載流子的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)時(shí)間少數(shù)載流子濃度少數(shù)載流子的漂移動(dòng)力學(xué)1電場(chǎng)強(qiáng)度漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。2遷移率漂移速度與載流子的遷移率成正比。3漂移電流漂移電流與少數(shù)載流子濃度、漂移速度成正比。少數(shù)載流子濃度分布空間分布少數(shù)載流子濃度在空間上呈現(xiàn)指數(shù)衰減的分布。時(shí)間變化少數(shù)載流子濃度隨時(shí)間變化，并最終趨于平衡。電子-空穴濃度積在平衡狀態(tài)下，電子和空穴的濃度積為常數(shù)。該常數(shù)取決于半導(dǎo)體材料的性質(zhì)和溫度。電流-電壓特性二極管方程二極管方程描述了二極管的電流-電壓關(guān)系。該方程考慮了注入、復(fù)合和漂移的影響。通過(guò)二極管方程可以預(yù)測(cè)二極管的性能。二極管工作模式1正向偏置：電流可以流過(guò)二極管。2反向偏置：電流無(wú)法流過(guò)二極管。3擊穿：當(dāng)反向電壓超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，二極管會(huì)被擊穿。二極管開(kāi)關(guān)特性二極管可以作為開(kāi)關(guān)使用。在正向偏置下，二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。在反向偏置下，二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。二極管的擊穿特性1雪崩擊穿當(dāng)反向電壓超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，少數(shù)載流子在電場(chǎng)作用下獲得足夠的能量，并與晶格碰撞，產(chǎn)生新的載流子，導(dǎo)致雪崩效應(yīng)。2齊納擊穿當(dāng)反向電壓超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，電子在高電場(chǎng)下直接躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)致電流增加。柵極控制二極管1結(jié)構(gòu)柵極控制二極管是一種具有柵極控制功能的二極管。2工作原理柵極電壓可以控制二極管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。3應(yīng)用柵極控制二極管可用于高頻開(kāi)關(guān)、電壓鉗位等。柵極控制三極管結(jié)構(gòu)柵極控制三極管是一種具有柵極控制功能的三極管。1工作原理柵極電壓可以控制三極管的電流放大倍數(shù)。2應(yīng)用柵極控制三極管可用于高頻放大、開(kāi)關(guān)等。3晶體管的放大功能1輸入信號(hào)晶體管的輸入信號(hào)可以是微小的電流或電壓。2放大倍數(shù)晶體管可以放大輸入信號(hào)，使其輸出信號(hào)的幅度更大。3輸出信號(hào)輸出信號(hào)可以是電流、電壓或功率信號(hào)。共射極放大器共射極放大器是一種常用的放大器類(lèi)型。其特點(diǎn)是輸入阻抗較低，輸出阻抗較高，電壓放大倍數(shù)較大。適用于音頻放大、信號(hào)處理等。共集電極放大器共集電極放大器也稱(chēng)為發(fā)射極跟隨器。其特點(diǎn)是輸入阻抗較高，輸出阻抗較低，電壓放大倍數(shù)接近1。適用于阻抗匹配、緩沖等。共基極放大器1共基極放大器是一種不太常用的放大器類(lèi)型。2其特點(diǎn)是輸入阻抗極低，輸出阻抗較高，電流放大倍數(shù)較大。3適用于高頻放大、信號(hào)處理等。差分放大器差分放大器是一種可以放大兩個(gè)輸入信號(hào)之間的差異的放大器。其特點(diǎn)是具有高共模抑制比，抗噪聲性能強(qiáng)。適用于高精度放大、信號(hào)處理等。運(yùn)算放大器1高增益運(yùn)算放大器具有極高的電壓放大倍數(shù)。2高輸入阻抗運(yùn)算放大器具有極高的輸入阻抗，幾乎不從信號(hào)源獲取電流。3低輸出阻抗運(yùn)算放大器具有極低的輸出阻抗，可以驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載。4高帶寬運(yùn)算放大器可以放大各種頻率的信號(hào)。開(kāi)關(guān)電源1效率高開(kāi)關(guān)電源的效率比線(xiàn)性電源高得多，可以減少能量損耗。2體積小開(kāi)關(guān)電源的體積比線(xiàn)性電源小得多，可以節(jié)省空間。3應(yīng)用廣泛開(kāi)關(guān)電源廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備，如計(jì)算機(jī)、手機(jī)、電源適配器等。光電二極管光電轉(zhuǎn)換光電二極管可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。1光敏特性光電二極管對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的敏感度。2應(yīng)用光電二極管可用于光檢測(cè)、光通信等。3太陽(yáng)電池1光伏效應(yīng)太陽(yáng)電池利用光伏效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)換為電能。2光電轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率是指光能轉(zhuǎn)換為電能的比例。3應(yīng)用太陽(yáng)電池可用于太陽(yáng)能發(fā)電、空間探測(cè)等。發(fā)光二極管發(fā)光二極管可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。發(fā)光二極管具有高效率、壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用于照明、顯示、通訊等。光電耦合器光電耦合器可以隔離兩個(gè)電路之間的信號(hào)傳輸。光電耦合器通常由發(fā)光二極管和光電二極管組成。光電耦合器可以用于高壓、高頻、高噪聲等環(huán)境。電致發(fā)光顯示1電致發(fā)光顯示利用電致發(fā)光材料在電流作用下發(fā)光。2電致發(fā)光顯示具有高亮度、高對(duì)比度、反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。3應(yīng)用于手機(jī)、電腦、電視等。總結(jié)與展望不平衡載流子傳輸是半導(dǎo)體器件的核心原理之一。未來(lái)，不平衡載流子傳輸技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展，并應(yīng)用于更