第2章半導體器件基本原理課件

1、tongyibin講講 課課 的的 原原 則則4闡述科技發(fā)展的邏輯脈絡4著重電力電子器件方面基本知識4著重培養(yǎng)分析電力電子器件性能的能力4著重電力電子器件應用中最復雜和關鍵的問題=二極管和IGBT4著重鍛煉應用電力電子器件的基本技能tongyibin教教 學學 參參 考考 書書4陳冶明，電力電子器件基礎4USING IGBT MODULES4Use Gate Charge to Design the Gate Drive Circuit for Power MOSFETs and IGBTtongyibin第第2章章 半導體器件基本原理半導體器件基本原理4半導體的基本知識半導體的基本知識4PN

2、PN結及半導體二極管結及半導體二極管特殊二極管特殊二極管tongyibin本本 章章 的的 學學 習習 要要 求求4半導體“神奇”的性能是如何形成的？4半導體材料為什么要使用攙雜工藝？4P型和N型半導體內是否具有靜電場？4在PN結區(qū)域到底發(fā)生了什么，使得PN結具有單向導電性？4PN結特性會受到什么環(huán)境因素的影響？tongyibin1 1、半導體的基本知識、半導體的基本知識容易導電的物質稱為容易導電的物質稱為導體導體，金屬是最常見的導體。，金屬是最常見的導體。 有的物質幾乎不導電，稱為有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體絕緣體，如橡皮、，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。陶瓷、塑料和石英。 另有一類物質的導電

3、特性處于導體和絕緣體之間，另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為稱為半導體半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等?；锏?。tongyibin物體導電性能取決于由自由電子濃度物體導電性能取決于由自由電子濃度4導體原子核對電子的束縛較小，自由電子濃度高，導電性能好；4絕緣體中大多數(shù)電子都被原子核束縛，自由電子濃度很低，導電性能差；4半導體則介于兩者之間，且易受外界因數(shù)的影響；tongyibin價價 電電 子子GeSi半導體材料原子最外層的電子由于受原子核的束縛半導體材料原子最外層的電子由于受原子核的束縛較小，比較容易變成自由電子價電子較小，比較容

4、易變成自由電子價電子現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。的最外層電子（價電子）都是四個。tongyibin本本 征征 半半 導導 體體完全純凈的、結構完整的半導體晶體，稱為完全純凈的、結構完整的半導體晶體，稱為本征半導體本征半導體。+4+4+4+4在絕對在絕對0度和沒有外界激發(fā)時度和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即粒子（即載流子載流子），它的導電能力為），它的導電能力為0，相當于絕，相當于絕緣體。緣體。隨著溫

5、度的升高，價電子的能量越來越高，越來越多的價電子就可以擺脫共價鍵的束縛，成為可以導電的載流子本征激發(fā)。tongyibin自由電子自由電子空穴空穴本征半導體的本征激發(fā)本征半導體的本征激發(fā)+4+4+4+4束縛電子束縛電子本征半導體中電子和空穴的濃度哪個更高？本征半導體中電子和空穴的濃度哪個更高？tongyibin本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理+4+4+4+4空穴的存在將吸引臨近的價空穴的存在將吸引臨近的價電子來填補，這個過程稱為電子來填補，這個過程稱為復合復合價電子的移動也可以理解為價電子的移動也可以理解為空穴反方向在遷移空穴反方向在遷移空穴的遷移相當于正電荷的空穴的遷移相當于正電荷的移

6、動，因此空穴也可以認為移動，因此空穴也可以認為是載流子是載流子空穴和電子數(shù)目相等、移動空穴和電子數(shù)目相等、移動方向相反方向相反tongyibin電子電流與空穴電流電子電流與空穴電流 在沒有外部電場作用下，空穴電子對不斷產生又在沒有外部電場作用下，空穴電子對不斷產生又不斷復合，處于無規(guī)律的狀態(tài)。不斷復合，處于無規(guī)律的狀態(tài)。 在外電場的作用下，電子產生有規(guī)律的定向運動，在外電場的作用下，電子產生有規(guī)律的定向運動，從一個原子到另一個原子。從一個原子到另一個原子。在電子定向運動的同時，空穴則按與價電子運動在電子定向運動的同時，空穴則按與價電子運動的方向相反，因此空穴運動相當于正電荷的運動，的方向相反，

7、因此空穴運動相當于正電荷的運動，稱為空穴電流。稱為空穴電流?？湛昭ㄑ?？呢？本征本征半導半導體的體的導電導電性？性？本征半導體的導電性主要取決于溫度。本征半導體的導電性主要取決于溫度。tongyibin溫度越高，本征半導體載流子的濃度越高，本征半溫度越高，本征半導體載流子的濃度越高，本征半導體的導電能力越強。溫度對半導體材料和器件性導體的導電能力越強。溫度對半導體材料和器件性能的影響是半導體的一大特點。能的影響是半導體的一大特點。本征半導體材料的導電性能受溫度影響太大，使得本征半導體材料的導電性能受溫度影響太大，使得本征半導體材料的應用受到很大限制。本征半導體材料的應用受到很大限制。摻雜半導體

8、摻雜半導體真正廣泛應用的是摻雜半導體材料。真正廣泛應用的是摻雜半導體材料。tongyibin電子電子N型半導體材料型半導體材料4在本征半導體中摻入五價的磷，由于每個磷原子在本征半導體中摻入五價的磷，由于每個磷原子有有5個價電子，故在構成共價鍵結構時將產生一個價電子，故在構成共價鍵結構時將產生一個自由電子。個自由電子。+PSiSiSiSiSiSiPtongyibin通過摻雜，半導體材料中電子載流子數(shù)目將比本通過摻雜，半導體材料中電子載流子數(shù)目將比本征激發(fā)的載流子多幾十萬倍。征激發(fā)的載流子多幾十萬倍。摻雜激發(fā)的載流子濃度主要取決于摻雜的濃度，摻雜激發(fā)的載流子濃度主要取決于摻雜的濃度，體材料的性能可

9、以得到很好的控制。體材料的性能可以得到很好的控制。這種以自由電子導電作為主要導電方式的半導體這種以自由電子導電作為主要導電方式的半導體稱為電子型半導體或稱為電子型半導體或N（Negative）型半導體。）型半導體。如果不考慮本征激發(fā)，如果不考慮本征激發(fā)，N型半導體的空穴濃度型半導體的空穴濃度大還是電子濃度大？大還是電子濃度大？由于電子濃度高于空穴，因此由于電子濃度高于空穴，因此N型半導體的型半導體的多數(shù)載多數(shù)載流子流子是電子。是電子。tongyibinP型半導體材料 在本征半導體中摻入三價的，由于每個硼原子有在本征半導體中摻入三價的，由于每個硼原子有3個價電子，故在構成共價鍵結構時將產生一個空

10、個價電子，故在構成共價鍵結構時將產生一個空穴。穴。B+空穴空穴SiSiSiSiSiSiBtongyibin這種以空穴導電作為主要導電方式的半導體稱為這種以空穴導電作為主要導電方式的半導體稱為空穴型半導體或空穴型半導體或P（Positive）型半導體。多數(shù)載）型半導體。多數(shù)載流子為空穴。流子為空穴。tongyibin對比對比P型半導體和型半導體和N型半導體型半導體P型和型和N型半導體的對比型半導體的對比PN摻雜材料空穴和電子濃度多數(shù)載流子類型3價元素5價元素空穴濃度高電子濃度高空穴電子tongyibin為什么要對半導體采用攙雜工藝為什么要對半導體采用攙雜工藝攙雜半導體的載流子濃度主要取決于攙雜類

11、型和比例，與本征激發(fā)載流子相比，受溫度的影響相對小得多，因此工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定。隨著溫度的升高，半導體材料的本征激發(fā)越來越強，本征激發(fā)載流子的濃度也越來越高。當本征激發(fā)載流子濃度與攙雜載流子濃度達到可比擬的程度時，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？半導體材料和器件將失效溫度是影響電力電子器件性能溫度是影響電力電子器件性能的一個十分重要的環(huán)境因素的一個十分重要的環(huán)境因素tongyibin空穴到底是什么？空穴到底是什么？攙雜半導體中，電子空穴還是成對產生的嗎？攙雜半導體中，電子空穴還是成對產生的嗎？N N型半導體中的自由電子多于空穴，型半導體中的自由電子多于空穴，P P型半導體中型半導體中的空穴多于自由電子，

12、是否的空穴多于自由電子，是否N N型半導體帶負電，型半導體帶負電，P P型半導體帶正電？型半導體帶正電？P P、N N型半導體中是否存在型半導體中是否存在“凈凈”電荷或是靜電場？電荷或是靜電場？作業(yè)作業(yè)（3月月21日日14點點10分前交）分前交）tongyibin2、PN結注意：注意：PN結不可能通過將結不可能通過將P型半導體和型半導體和N型半導體型半導體壓在一起而形成。壓在一起而形成。在同一片半導體基片上，分別制造在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和型半導體和N型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了面處就形成了PN結。結。怎樣才能實

13、現(xiàn)怎樣才能實現(xiàn)PN半導體的半導體的“緊密緊密”接觸？接觸？在在“緊密緊密”接觸的接觸的PN結區(qū)域，會發(fā)生什么？結區(qū)域，會發(fā)生什么？tongyibinPN空 穴 擴 散電 子 擴 散內電場tongyibin1、P型和N型半導體相鄰；2、由于兩者空穴和電子濃度的差別，電子和空穴在交界處產生擴散運動；3、擴散到對方的載流子由于濃度較低，稱為少數(shù)載流子；4、P型區(qū)由于空穴的擴散，留下帶負電的原子，而N型區(qū)由于電子的擴散，留下帶正電的原子；PN結的形成結的形成tongyibin5、由于帶電的原子被束縛在晶格結構中無法移動，因此在交界面附近將形成一個空間電荷區(qū)，由于該空間電荷區(qū)的載流子已擴散殆盡，因此又稱

14、為載流子的耗盡區(qū)；6、空間電荷區(qū)中存在的帶電原子將在空間電荷區(qū)中建立內部電場；7、內部電場的建立和加強，使得漂移的影響越來越大，并將阻礙電子和空穴擴散運動的發(fā)展；8、最終，內部電場必將與擴散運動平衡，形成穩(wěn)定的PN結。硅PN結的接觸電勢差約為0.7V；tongyibin課課 堂堂 討討 論論1、為什么、為什么PN結不可能通過將結不可能通過將P型半導體和型半導體和N型半導體壓型半導體壓在一起而形成？在一起而形成？2、當按照上述描述形成耗盡區(qū)后，、當按照上述描述形成耗盡區(qū)后，PN結附近是否就結附近是否就“安安分守己分守己”了？了？在在PNPN結附近，存在兩種趨勢：結附近，存在兩種趨勢：載流子濃度差

15、異引起的擴散載流子濃度差異引起的擴散 內部電場引起的漂移內部電場引起的漂移3、少數(shù)載流子的濃度是否是均勻的？、少數(shù)載流子的濃度是否是均勻的？當然不是，遠離當然不是，遠離PNPN的地方濃度低。的地方濃度低。4、如果在、如果在PN結的兩端加上不同方向的電壓，會出現(xiàn)什么結的兩端加上不同方向的電壓，會出現(xiàn)什么情況？情況？tongyibin不同偏置條件下的不同偏置條件下的PN結結4正偏置：正偏置：在在PN結的結的P區(qū)加區(qū)加正正、N區(qū)加區(qū)加負負；4負偏置：負偏置：在在PN結的結的P區(qū)加區(qū)加負負、N區(qū)加區(qū)加正正；tongyibinPN內電場PN結正偏置結正偏置外 加 電 場正偏置正偏置外電場削弱內電場外電場

16、削弱內電場耗盡區(qū)電荷減少耗盡區(qū)電荷減少耗盡區(qū)（空間電荷區(qū)）變窄耗盡區(qū)（空間電荷區(qū)）變窄P區(qū)空穴在外電場的驅動下不斷穿越耗盡區(qū)進入?yún)^(qū)空穴在外電場的驅動下不斷穿越耗盡區(qū)進入N區(qū)，而區(qū)，而N區(qū)電子也在外電區(qū)電子也在外電場的驅動下不斷穿越耗盡區(qū)進入場的驅動下不斷穿越耗盡區(qū)進入P區(qū)，從而形成電流。區(qū)，從而形成電流。tongyibin課課 堂堂 討討 論論PNPN結在正偏置下，結在正偏置下， P P區(qū)空穴在外電場的驅動下不斷區(qū)空穴在外電場的驅動下不斷穿越耗盡區(qū)進入穿越耗盡區(qū)進入N N區(qū)，而區(qū)，而N N區(qū)電子也在外電場的驅動區(qū)電子也在外電場的驅動下不斷穿越耗盡區(qū)進入下不斷穿越耗盡區(qū)進入P P區(qū)。區(qū)。為什么不

17、會象前面的擴散一樣形成逐步擴大的內部為什么不會象前面的擴散一樣形成逐步擴大的內部電場而阻礙電流的形成呢？電場而阻礙電流的形成呢？正向偏置電壓變化有什么影響？正向偏置電壓變化有什么影響？tongyibinPN外加電場空穴擴散電子漂移擴散與漂移效果的平衡，一方面將是耗盡區(qū)保持穩(wěn)定，另一方面也將擴散與漂移效果的平衡，一方面將是耗盡區(qū)保持穩(wěn)定，另一方面也將使少數(shù)載流子的濃度隨距使少數(shù)載流子的濃度隨距PNPN邊界的距離增大而下降。邊界的距離增大而下降。tongyibinPN結正向偏置狀態(tài)總結結正向偏置狀態(tài)總結PN結在正向偏置的時候，外部電場將消弱內部電結在正向偏置的時候，外部電場將消弱內部電場的影響。場

18、的影響。P區(qū)的空穴和區(qū)的空穴和N區(qū)的電子在外部電場的作用下，分區(qū)的電子在外部電場的作用下，分別進入（別進入（注入注入）N區(qū)和區(qū)和P區(qū)，形成電流。區(qū)，形成電流。由于參與導電的分別是進入由于參與導電的分別是進入P區(qū)的電子和進入?yún)^(qū)的電子和進入N區(qū)區(qū)的空穴，因此的空穴，因此PN在正向偏置下的導電是在正向偏置下的導電是“少子少子”導導電。電。與此同時，與此同時，P區(qū)的空穴和區(qū)的空穴和N區(qū)的電子在耗盡區(qū)電場區(qū)的電子在耗盡區(qū)電場的吸引下也向的吸引下也向PN結處漂移。它們與從對面過流的結處漂移。它們與從對面過流的“少子少子”復合。復合。少子在外部電場的激勵下不斷穿越少子在外部電場的激勵下不斷穿越PN結進入結進

19、入“對對方領地方領地”，之后與多數(shù)載流子復合，從而形成源源不，之后與多數(shù)載流子復合，從而形成源源不斷的電流。斷的電流。tongyibin外電場增強會引起更多的少子注入。外電場增強會引起更多的少子注入。由于內部電場被外部電場更多地削弱，漂移作用被由于內部電場被外部電場更多地削弱，漂移作用被大大抑制。大大抑制。在兩種相反作用的影響下，正向電流顯著增加。在兩種相反作用的影響下，正向電流顯著增加。正向偏置電壓的影響正向偏置電壓的影響tongyibinPN結反偏置PN內電場外部電場反向電流內電場被被加強，耗盡區(qū)變寬，多子的擴散受抑制。在增強內內電場被被加強，耗盡區(qū)變寬，多子的擴散受抑制。在增強內部電場的作用下，少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成部電場的作用下，少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。較小的反向電流。tongyibinPN結正向偏置與反向偏置的比較結正向偏置與反向偏置的比較偏置電壓偏置電壓正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置外部電場