半导体器件基本原理.ppt

讲 课 的 原 则,阐述科技发展的逻辑脉络 着重电力电子器件方面基本知识 着重培养分析电力电子器件性能的能力 着重电力电子器件应用中最复杂和关键的问题 二极管和IGBT 着重锻炼应用电力电子器件的基本技能,教 学 参 考 书,陈冶明，电力电子器件基础 USING IGBT MODULES Use Gate Charge to Design the Gate Drive Circuit for Power MOSFETs and IGBT,第2章 半导体器件基本原理,半导体的基本知识 PN结及半导体二极管 特殊二极管,本 章 的 学 习 要 求,半导体“神奇”的性能是如何形成的？ 半导体材料为什么要使用搀杂工艺？ P型和N型半导体内是否具有静电场？ 在PN结区域到底发生了什么，使得PN结具有单向导电性？ PN结特性会受到什么环境因素的影响？,1、半导体的基本知识,容易导电的物质称为导体，金属是最常见的导体。,有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,物体导电性能取决于由自由电子浓度,导体原子核对电子的束缚较小，自由电子浓度高，导电性能好； 绝缘体中大多数电子都被原子核束缚，自由电子浓度很低，导电性能差； 半导体则介于两者之间，且易受外界因数的影响；,价 电 子,半导体材料原子最外层的电子由于受原子核的束缚较小，比较容易变成自由电子价电子 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,本 征 半 导 体,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,在绝对0度和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。,随着温度的升高，价电子的能量越来越高，越来越多的价电子就可以摆脱共价键的束缚，成为可以导电的载流子本征激发。,本征半导体的本征激发,束缚电子,本征半导体中电子和空穴的浓度哪个更高？,本征半导体的导电机理,空穴的存在将吸引临近的价电子来填补，这个过程称为复合 价电子的移动也可以理解为空穴反方向在迁移 空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此空穴也可以认为是载流子 空穴和电子数目相等、移动方向相反,电子电流与空穴电流,在没有外部电场作用下，空穴电子对不断产生又不断复合，处于无规律的状态。 在外电场的作用下，电子产生有规律的定向运动，从一个原子到另一个原子。,在电子定向运动的同时，空穴则按与价电子运动的方向相反，因此空穴运动相当于正电荷的运动，称为空穴电流。,空穴呢？,本征半导体的导电性？,本征半导体的导电性主要取决于温度。,温度越高，本征半导体载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强。温度对半导体材料和器件性能的影响是半导体的一大特点。,本征半导体材料的导电性能受温度影响太大，使得本征半导体材料的应用受到很大限制。,掺杂半导体,真正广泛应用的是掺杂半导体材料。,N型半导体材料,在本征半导体中掺入五价的磷，由于每个磷原子有5个价电子，故在构成共价键结构时将产生一个自由电子。,通过掺杂，半导体材料中电子载流子数目将比本征激发的载流子多几十万倍。 掺杂激发的载流子浓度主要取决于掺杂的浓度，体材料的性能可以得到很好的控制。,这种以自由电子导电作为主要导电方式的半导体称为电子型半导体或N（Negative）型半导体。,如果不考虑本征激发，N型半导体的空穴浓度大还是电子浓度大？,由于电子浓度高于空穴，因此N型半导体的多数载流子是电子。,P型半导体材料,在本征半导体中掺入三价的，由于每个硼原子有3个价电子，故在构成共价键结构时将产生一个空穴。,这种以空穴导电作为主要导电方式的半导体称为空穴型半导体或P（Positive）型半导体。多数载流子为空穴。,对比P型半导体和N型半导体,3价元素,5价元素,空穴浓度高,电子浓度高,空穴,电子,为什么要对半导体采用搀杂工艺,搀杂半导体的载流子浓度主要取决于搀杂类型和比例，与本征激发载流子相比，受温度的影响相对小得多，因此工作温度范围宽、性能稳定。 随着温度的升高，半导体材料的本征激发越来越强，本征激发载流子的浓度也越来越高。 当本征激发载流子浓度与搀杂载流子浓度达到可比拟的程度时，会出现什么现象？ 半导体材料和器件将失效 温度是影响电力电子器件性能的一个十分重要的环境因素,空穴到底是什么？ 搀杂半导体中，电子空穴还是成对产生的吗？ N型半导体中的自由电子多于空穴，P型半导体中的空穴多于自由电子，是否N型半导体带负电，P型半导体带正电？ P、N型半导体中是否存在“净”电荷或是静电场？,作业（3月21日14点10分前交）,2、PN结,注意：PN结不可能通过将P型半导体和N型半导体压在一起而形成。,在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。,怎样才能实现PN半导体的“紧密”接触？,在“紧密”接触的PN结区域，会发生什么？,1、P型和N型半导体相邻； 2、由于两者空穴和电子浓度的差别，电子和空穴在交界处产生扩散运动； 3、扩散到对方的载流子由于浓度较低，称为少数载流子； 4、P型区由于空穴的扩散，留下带负电的原子，而N型区由于电子的扩散，留下带正电的原子；,PN结的形成,5、由于带电的原子被束缚在晶格结构中无法移动，因此在交界面附近将形成一个空间电荷区，由于该空间电荷区的载流子已扩散殆尽，因此又称为载流子的耗尽区； 6、空间电荷区中存在的带电原子将在空间电荷区中建立内部电场； 7、内部电场的建立和加强，使得漂移的影响越来越大，并将阻碍电子和空穴扩散运动的发展； 8、最终，内部电场必将与扩散运动平衡，形成稳定的PN结。硅PN结的接触电势差约为0.7V；,课 堂 讨 论,1、为什么PN结不可能通过将P型半导体和N型半导体压在一起而形成？ 2、当按照上述描述形成耗尽区后，PN结附近是否就“安分守己”了？ 在PN结附近，存在两种趋势： 载流子浓度差异引起的扩散 内部电场引起的漂移 3、少数载流子的浓度是否是均匀的？ 当然不是，远离PN的地方浓度低。 4、如果在PN结的两端加上不同方向的电压，会出现什么情况？,不同偏置条件下的PN结,正偏置：在PN结的P区加正、N区加负； 负偏置：在PN结的P区加负、N区加正；,PN结正偏置,正偏置外电场削弱内电场耗尽区电荷减少耗尽区（空间电荷区）变窄,P区空穴在外电场的驱动下不断穿越耗尽区进入N区，而N区电子也在外电场的驱动下不断穿越耗尽区进入P区，从而形成电流。,课 堂 讨 论,PN结在正偏置下， P区空穴在外电场的驱动下不断穿越耗尽区进入N区，而N区电子也在外电场的驱动下不断穿越耗尽区进入P区。 为什么不会象前面的扩散一样形成逐步扩大的内部电场而阻碍电流的形成呢？ 正向偏置电压变化有什么影响？,扩散与漂移效果的平衡，一方面将是耗尽区保持稳定，另一方面也将使少数载流子的浓度随距PN边界的距离增大而下降。,PN结正向偏置状态总结,PN结在正向偏置的时候，外部电场将消弱内部电场的影响。 P区的空穴和N区的电子在外部电场的作用下，分别进入（注入）N区和P区，形成电流。 由于参与导电的分别是进入P区的电子和进入N区的空穴，因此PN在正向偏置下的导电是“少子”导电。 与此同时，P区的空穴和N区的电子在耗尽区电场的吸引下也向PN结处漂移。它们与从对面过流的“少子”复合。 少子在外部电场的激励下不断穿越PN结进入“对方领地”，之后与多数载流子复合，从而形成源源不断的电流。,外电场增强会引起更多的少子注入。 由于内部电场被外部电场更多地削弱，漂移作用被大大抑制。 在两种相反作用的影响下，正向电流显著增加。,正向偏置电压的影响,PN结反偏置,内电场被被加强，耗尽区变宽，多子的扩散受抑制。在增强内部电场的作用下，少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,PN结正向偏置与反向偏置的比较,PN结的伏安特性（单向导电性）,势垒电压 硅PN结约0.7V，锗PN结约0.2V。,正向导通压降,反向击穿电压,PN结的结电容,PN结附近的耗尽区相当于一个电容器，因此就有电容量PN结的结电容。,PN结的结电容与PN结的偏置电压有关，可以通过偏置电压来调节结电容。,结电容和什么因素有关？,有什么实际应用的例子吗？,在电力电子电路中，有什么影响？,PN结的热效应,本征激发是PN结受温度影响重要起因。,在不同的温度下，PN结会表现出不同的特性，因此温度特性是所有电力电子器件一个重要的方面。 特性变化（恶化） 散热设计 功率处理能力,PN结存在工作温度的上限。,预 习 问 题,当一个PN结由正向偏置突然变为反向偏置，会发生什么？从反向偏置突然变为正向偏置呢？ 少数载流子的浓度与什么因素有关？ 少数载流子什么时候才会消失？,