第2章半導(dǎo)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(luò)4著重電力電子器件方面基本知識(shí)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(yīng)用中最復(fù)雜和關(guān)鍵的問(wèn)題=二極管和IGBT4著重鍛煉應(yīng)用電力電子器件的基本技能tongyibin教教 學(xué)學(xué) 參參 考考 書書4陳冶明，電力電子器件基礎(chǔ)4USING IGBT MODULES4Use Gate Charge to Design the Gate Drive Circuit for Power MOSFETs and IGBTtongyibin第第2章章 半導(dǎo)體器件基本原理半導(dǎo)體器件基本原理4半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)4PN

2、PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管結(jié)及半導(dǎo)體二極管特殊二極管特殊二極管tongyibin本本 章章 的的 學(xué)學(xué) 習(xí)習(xí) 要要 求求4半導(dǎo)體“神奇”的性能是如何形成的？4半導(dǎo)體材料為什么要使用攙雜工藝？4P型和N型半導(dǎo)體內(nèi)是否具有靜電場(chǎng)？4在PN結(jié)區(qū)域到底發(fā)生了什么，使得PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕?PN結(jié)特性會(huì)受到什么環(huán)境因素的影響？tongyibin1 1、半導(dǎo)體的基本知識(shí)、半導(dǎo)體的基本知識(shí)容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體導(dǎo)體，金屬是最常見(jiàn)的導(dǎo)體。，金屬是最常見(jiàn)的導(dǎo)體。 有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)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(zhì)的導(dǎo)電

3、特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為稱為半導(dǎo)體半導(dǎo)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(dǎo)電性能取決于由自由電子濃度物體導(dǎo)電性能取決于由自由電子濃度4導(dǎo)體原子核對(duì)電子的束縛較小，自由電子濃度高，導(dǎo)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(dǎo)電性能差；4半導(dǎo)體則介于兩者之間，且易受外界因數(shù)的影響；tongyibin價(jià)價(jià) 電電 子子GeSi半導(dǎo)體材料原子最外層的電子由于受原子核的束縛半導(dǎo)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(jià)電子較小，比較容

4、易變成自由電子價(jià)電子現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。tongyibin本本 征征 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體。+4+4+4+4在絕對(duì)在絕對(duì)0度和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí)度和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即粒子（即載流子載流子），它的導(dǎo)電能力為），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕，相當(dāng)于絕緣體。緣體。隨著溫

5、度的升高，價(jià)電子的能量越來(lái)越高，越來(lái)越多的價(jià)電子就可以擺脫共價(jià)鍵的束縛，成為可以導(dǎo)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(dǎo)體的本征激發(fā)本征半導(dǎo)體的本征激發(fā)+4+4+4+4束縛電子束縛電子本征半導(dǎo)體中電子和空穴的濃度哪個(gè)更高？本征半導(dǎo)體中電子和空穴的濃度哪個(gè)更高？tongyibin本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4空穴的存在將吸引臨近的價(jià)空穴的存在將吸引臨近的價(jià)電子來(lái)填補(bǔ)，這個(gè)過(guò)程稱為電子來(lái)填補(bǔ)，這個(gè)過(guò)程稱為復(fù)合復(fù)合價(jià)電子的移動(dòng)也可以理解為價(jià)電子的移動(dòng)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(dāng)于正電荷的空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移

6、動(dòng)，因此空穴也可以認(rèn)為移動(dòng)，因此空穴也可以認(rèn)為是載流子是載流子空穴和電子數(shù)目相等、移動(dòng)空穴和電子數(shù)目相等、移動(dòng)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(méi)有外部電場(chǎng)作用下，空穴電子對(duì)不斷產(chǎn)生又在沒(méi)有外部電場(chǎng)作用下，空穴電子對(duì)不斷產(chǎn)生又不斷復(fù)合，處于無(wú)規(guī)律的狀態(tài)。不斷復(fù)合，處于無(wú)規(guī)律的狀態(tài)。 在外電場(chǎng)的作用下，電子產(chǎn)生有規(guī)律的定向運(yùn)動(dòng)，在外電場(chǎng)的作用下，電子產(chǎn)生有規(guī)律的定向運(yùn)動(dòng)，從一個(gè)原子到另一個(gè)原子。從一個(gè)原子到另一個(gè)原子。在電子定向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，空穴則按與價(jià)電子運(yùn)動(dòng)在電子定向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，空穴則按與價(jià)電子運(yùn)動(dòng)的方向相反，因此空穴運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動(dòng)，的方向相反，

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

8、摻雜半導(dǎo)體真正廣泛應(yīng)用的是摻雜半導(dǎo)體材料。真正廣泛應(yīng)用的是摻雜半導(dǎo)體材料。tongyibin電子電子N型半導(dǎo)體材料型半導(dǎo)體材料4在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)的磷，由于每個(gè)磷原子在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)的磷，由于每個(gè)磷原子有有5個(gè)價(jià)電子，故在構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)價(jià)電子，故在構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)自由電子。個(gè)自由電子。+PSiSiSiSiSiSiPtongyibin通過(guò)摻雜，半導(dǎo)體材料中電子載流子數(shù)目將比本通過(guò)摻雜，半導(dǎo)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(wàn)倍。征激發(fā)的載流子多幾十萬(wàn)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(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體這種以自由電子導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體或稱為電子型半導(dǎo)體或N（Negative）型半導(dǎo)體。）型半導(dǎo)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(dǎo)體的空穴濃度型半導(dǎo)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(dǎo)體的型半導(dǎo)體的多數(shù)載多數(shù)載流子流子是電子。是電子。tongyibinP型半導(dǎo)體材料 在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)的，由于每個(gè)硼原子有在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)的，由于每個(gè)硼原子有3個(gè)價(jià)電子，故在構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)空

10、個(gè)價(jià)電子，故在構(gòu)成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)空穴。穴。B+空穴空穴SiSiSiSiSiSiBtongyibin這種以空穴導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體稱為這種以空穴導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體或空穴型半導(dǎo)體或P（Positive）型半導(dǎo)體。多數(shù)載）型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子為空穴。流子為空穴。tongyibin對(duì)比對(duì)比P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P型和型和N型半導(dǎo)體的對(duì)比型半導(dǎo)體的對(duì)比PN摻雜材料空穴和電子濃度多數(shù)載流子類型3價(jià)元素5價(jià)元素空穴濃度高電子濃度高空穴電子tongyibin為什么要對(duì)半導(dǎo)體采用攙雜工藝為什么要對(duì)半導(dǎo)體采用攙雜工藝攙雜半導(dǎo)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(duì)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(dǎo)體材料的本征激發(fā)越來(lái)越強(qiáng)，本征激發(fā)載流子的濃度也越來(lái)越高。當(dāng)本征激發(fā)載流子濃度與攙雜載流子濃度達(dá)到可比擬的程度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？半導(dǎo)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(gè)十分重要的環(huán)境因素的一個(gè)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(dǎo)體中，電子空穴還是成對(duì)產(chǎn)生的嗎？攙雜半導(dǎo)體中，電子空穴還是成對(duì)產(chǎn)生的嗎？N N型半導(dǎo)體中的自由電子多于空穴，型半導(dǎo)體中的自由電子多于空穴，P P型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)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(dǎo)體帶負(fù)電，型半導(dǎo)體帶負(fù)電，P P型半導(dǎo)體帶正電？型半導(dǎo)體帶正電？P P、N N型半導(dǎo)體中是否存在型半導(dǎo)體中是否存在“凈凈”電荷或是靜電場(chǎng)？電荷或是靜電場(chǎng)？作業(yè)作業(yè)（3月月21日日14點(diǎn)點(diǎn)10分前交）分前交）tongyibin2、PN結(jié)注意：注意：PN結(jié)不可能通過(guò)將結(jié)不可能通過(guò)將P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體壓在一起而形成。壓在一起而形成。在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了面處就形成了PN結(jié)。結(jié)。怎樣才能實(shí)

13、現(xiàn)怎樣才能實(shí)現(xiàn)PN半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的“緊密緊密”接觸？接觸？在在“緊密緊密”接觸的接觸的PN結(jié)區(qū)域，會(huì)發(fā)生什么？結(jié)區(qū)域，會(huì)發(fā)生什么？tongyibinPN空 穴 擴(kuò) 散電 子 擴(kuò) 散內(nèi)電場(chǎng)tongyibin1、P型和N型半導(dǎo)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(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；3、擴(kuò)散到對(duì)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(kuò)散，留下帶負(fù)電的原子，而N型區(qū)由于電子的擴(kuò)散，留下帶正電的原子；PN結(jié)的形成結(jié)的形成tongyibin5、由于帶電的原子被束縛在晶格結(jié)構(gòu)中無(wú)法移動(dòng)，因此在交界面附近將形成一個(gè)空間電荷區(qū)，由于該空間電荷區(qū)的載流子已擴(kuò)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(nèi)部電場(chǎng)；7、內(nèi)部電場(chǎng)的建立和加強(qiáng)，使得漂移的影響越來(lái)越大，并將阻礙電子和空穴擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的發(fā)展；8、最終，內(nèi)部電場(chǎng)必將與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)平衡，形成穩(wěn)定的PN結(jié)。硅PN結(jié)的接觸電勢(shì)差約為0.7V；tongyibin課課 堂堂 討討 論論1、為什么、為什么PN結(jié)不可能通過(guò)將結(jié)不可能通過(guò)將P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體壓型半導(dǎo)體壓在一起而形成？在一起而形成？2、當(dāng)按照上述描述形成耗盡區(qū)后，、當(dāng)按照上述描述形成耗盡區(qū)后，PN結(jié)附近是否就結(jié)附近是否就“安安分守己分守己”了？了？在在PNPN結(jié)附近，存在兩種趨勢(shì)：結(jié)附近，存在兩種趨勢(shì)：載流子濃度差

15、異引起的擴(kuò)散載流子濃度差異引起的擴(kuò)散 內(nèi)部電場(chǎng)引起的漂移內(nèi)部電場(chǎng)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(dāng)然不是，遠(yuǎn)離當(dāng)然不是，遠(yuǎn)離PNPN的地方濃度低。的地方濃度低。4、如果在、如果在PN結(jié)的兩端加上不同方向的電壓，會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)的兩端加上不同方向的電壓，會(huì)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(jié)結(jié)4正偏置：正偏置：在在PN結(jié)的結(jié)的P區(qū)加區(qū)加正正、N區(qū)加區(qū)加負(fù)負(fù)；4負(fù)偏置：負(fù)偏置：在在PN結(jié)的結(jié)的P區(qū)加區(qū)加負(fù)負(fù)、N區(qū)加區(qū)加正正；tongyibinPN內(nèi)電場(chǎng)PN結(jié)正偏置結(jié)正偏置外 加 電 場(chǎng)正偏置正偏置外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)

16、削弱內(nèi)電場(chǎng)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(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下不斷穿越耗盡區(qū)進(jìn)入?yún)^(qū)空穴在外電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下不斷穿越耗盡區(qū)進(jìn)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(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下不斷穿越耗盡區(qū)進(jìn)入場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下不斷穿越耗盡區(qū)進(jìn)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P(yáng)NPN結(jié)在正偏置下，結(jié)在正偏置下， P P區(qū)空穴在外電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下不斷區(qū)空穴在外電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下不斷穿越耗盡區(qū)進(jìn)入穿越耗盡區(qū)進(jìn)入N N區(qū)，而區(qū)，而N N區(qū)電子也在外電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)區(qū)電子也在外電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下不斷穿越耗盡區(qū)進(jìn)入下不斷穿越耗盡區(qū)進(jìn)入P P區(qū)。區(qū)。為什么不

17、會(huì)象前面的擴(kuò)散一樣形成逐步擴(kuò)大的內(nèi)部為什么不會(huì)象前面的擴(kuò)散一樣形成逐步擴(kuò)大的內(nèi)部電場(chǎng)而阻礙電流的形成呢？電場(chǎng)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(chǎng)空穴擴(kuò)散電子漂移擴(kuò)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(kuò)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(jié)正向偏置狀態(tài)總結(jié)結(jié)正向偏置狀態(tài)總結(jié)PN結(jié)在正向偏置的時(shí)候，外部電場(chǎng)將消弱內(nèi)部電結(jié)在正向偏置的時(shí)候，外部電場(chǎng)將消弱內(nèi)部電場(chǎng)的影響。場(chǎng)

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(chǎng)的作用下，分區(qū)的電子在外部電場(chǎng)的作用下，分別進(jìn)入（別進(jìn)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(dǎo)電的分別是進(jìn)入由于參與導(dǎo)電的分別是進(jìn)入P區(qū)的電子和進(jìn)入?yún)^(qū)的電子和進(jìn)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(dǎo)電是在正向偏置下的導(dǎo)電是“少子少子”導(dǎo)導(dǎo)電。電。與此同時(shí)，與此同時(shí)，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(chǎng)區(qū)的電子在耗盡區(qū)電場(chǎng)的吸引下也向的吸引下也向PN結(jié)處漂移。它們與從對(duì)面過(guò)流的結(jié)處漂移。它們與從對(duì)面過(guò)流的“少子少子”復(fù)合。復(fù)合。少子在外部電場(chǎng)的激勵(lì)下不斷穿越少子在外部電場(chǎng)的激勵(lì)下不斷穿越PN結(jié)進(jìn)入結(jié)進(jìn)

19、入“對(duì)對(duì)方領(lǐng)地方領(lǐng)地”，之后與多數(shù)載流子復(fù)合，從而形成源源不，之后與多數(shù)載流子復(fù)合，從而形成源源不斷的電流。斷的電流。tongyibin外電場(chǎng)增強(qiáng)會(huì)引起更多的少子注入。外電場(chǎng)增強(qiáng)會(huì)引起更多的少子注入。由于內(nèi)部電場(chǎng)被外部電場(chǎng)更多地削弱，漂移作用被由于內(nèi)部電場(chǎng)被外部電場(chǎng)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(jié)反偏置PN內(nèi)電場(chǎng)外部電場(chǎng)反向電流內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，耗盡區(qū)變寬，多子的擴(kuò)散受抑制。在增強(qiáng)內(nèi)內(nèi)電場(chǎng)被被加強(qiáng)，耗盡區(qū)變寬，多子的擴(kuò)散受抑制。在增強(qiáng)內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，少子漂移加強(qiáng)，但少子數(shù)量有限，只能形成部電場(chǎng)的作用下，少子漂移加強(qiáng)，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(jié)正向偏置與反向偏置的比較結(jié)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(chǎng)