電力電子技術半導體基礎資料

電力電子技術半導體基礎資料第一頁，共35頁。1.1半導體的導電特性

1.導體：電阻率

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cm的物質。如銅、銀、鋁等金屬材料。2.絕緣體：電阻率

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cm的物質。如橡膠、塑料等。3.半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的物質。如硅、鍺、硒以及大多數(shù)金屬氧化物和硫化物。通常情況下純凈半導體的導電能力較差，但隨著外界條件改變，其導電能力會有較大改變。

第二頁，共35頁。半導體具有以下特性：

(1)熱敏特性：當半導體受熱時，電阻率會發(fā)生變化，利用這個特性制成熱敏元件。(2)光敏特性：當半導體受到光照時，電阻率會發(fā)生改變，利用這個特性制成光電器件。(3)摻雜特性：在純凈的半導體中摻入某種微量的雜質后，它的導電能力就可增加幾十萬乃至幾百萬倍。利用這種特性制成各種不同用途的半導體器件。第三頁，共35頁。1.1.1本征半導體及其導電特性

現(xiàn)代電子學中，用得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。第四頁，共35頁。硅和鍺的晶體結構

四價元素的原子常常用+4電荷的正離子和周圍4個價電子表示。+4簡化模型電子器件所用的半導體具有晶體結構，因此把半導體也稱為晶體。第五頁，共35頁。+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全純凈的、不含其他雜質且具有晶體結構的半導體稱為本征半導體。將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結構為共價鍵結構。價電子共價鍵在絕對0度（T=0K），價電子被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。第六頁，共35頁。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴

當溫度升高或受光照時，將有少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位——空穴。T

自由電子和空穴使本征半導體具有導電能力，但很微弱?？昭煽闯蓭д姷妮d流子第七頁，共35頁。1.半導體中兩種載流子帶負電的自由電子帶正電的空穴

2.本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為電子-空穴對。3.本征半導體中自由電子的濃度等于空穴的濃度。4.由于物質的運動，自由電子和空穴不斷地產生又不斷地復合。在一定的溫度下，產生與復合運動會達到平衡，載流子的濃度就一定了。5.載流子的濃度與溫度密切相關，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。第八頁，共35頁。1.1.2N型半導體

雜質半導體有兩種N型半導體P型半導體在硅或鍺的晶體中摻入少量的五價雜質元素，如磷、銻、砷等，即構成N型半導體(或稱電子型半導體)。常用的五價雜質元素有磷、銻、砷等。在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。第九頁，共35頁。本征半導體摻入五價元素后，原來晶體中的某些硅原子將被雜質原子代替。雜質原子最外層有5個價電子，其中4個與硅構成共價鍵，多余一個電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子

電子稱為多數(shù)載流子空穴稱為少數(shù)載流子五價雜質原子稱為施主原子。第十頁，共35頁。1.1.3P型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的三價雜質元素，如硼、鎵、銦等，即構成P型半導體。+3空穴濃度多于電子濃度，即p>>n?？昭槎鄶?shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。三價雜質原子稱為受主原子。受主原子空穴第十一頁，共35頁。說明：1.摻入雜質的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。3.雜質半導體總體上保持電中性。4.雜質半導體的表示方法如下圖所示。2.雜質半導體載流子的數(shù)目要遠遠高于本征半導體，因而其導電能力大大改善。(a)N型半導體(b)P型半導體第十二頁，共35頁。1.2PN結的形成及特性1.2.1PN結的形成1.2.2PN結的單向導電性

1.2.3PN結的電容效應第十三頁，共35頁。1.2.1PN結的形成在一塊半導體單晶上一側摻雜成為P型半導體，另一側摻雜成為N型半導體，兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為PN結。PNPN結

PN結的形成第十四頁，共35頁。一、PN結中載流子的運動耗盡層空間電荷區(qū)PN1.擴散運動2.擴散運動形成空間電荷區(qū)電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴散運動?！狿N結，耗盡層。PN第十五頁，共35頁。3.空間電荷區(qū)產生內電場PN空間電荷區(qū)內電場UD空間電荷區(qū)正負離子之間電位差UD

——電壓勢壘；——

內電場；內電場阻止多子的擴散——

阻擋層。4.漂移運動內電場有利于少子運動—漂移。少子的運動與多子運動方向相反。阻擋層第十六頁，共35頁。5.擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減??；隨著內電場的增強，漂移運動逐漸增加；當擴散電流與漂移電流相等時，PN結總的電流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達到穩(wěn)定。即擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡.空間電荷區(qū)的寬度約為幾至幾十微米；電壓勢壘UD，硅材料約為(0.6~0.8)V,鍺材料約為(0.2~0.3)V。第十七頁，共35頁。

總結:

在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。

因濃度差空間電荷區(qū)形成內電場

內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區(qū)第十八頁，共35頁。1.2.2PN結的單向導電性

1.PN外加正向電壓又稱正向偏置，簡稱正偏。外電場方向內電場方向空間電荷區(qū)I空間電荷區(qū)變窄，有利于擴散運動，電路中有較大的正向電流。PNUR第十九頁，共35頁。形成正向電流多子向PN結移動空間電荷變窄內電場減弱擴散運動大于漂移運動PN結在外加正向電壓時的情況外加電場與內電場方向相反，削減內電場的作用第二十頁，共35頁。在PN結加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻R。2.PN結外加反向電壓(反偏)反向接法時，外電場與內電場的方向一致，增強了內電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬；不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴散電流，電路中產生反向電流I；由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。第二十一頁，共35頁?？臻g電荷區(qū)反相偏置的PN結反向電流又稱反向飽和電流。對溫度十分敏感，隨著溫度升高，IS將急劇增大。PN外電場方向內電場方向URIS第二十二頁，共35頁。形成反向電流多子背離PN結移動空間電荷區(qū)變寬,內電場增強漂移運動大于擴散運動PN結外加反向電壓時的情況外加電場與內電場方向一致，增強內電場的作用第二十三頁，共35頁。綜上所述：當PN結正向偏置時，回路中將產生一個較大的正向電流，PN結處于導通狀態(tài)；當PN結反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，PN結處于截止狀態(tài)?？梢姡琍N結具有單向導電性。第二十四頁，共35頁。1.2.3PN結的電容效應PN結具有一定的電容效應，它由兩方面的因素決定。一是勢壘電容CT,二是擴散電容CD1.勢壘電容CT勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。勢壘電容示意圖第二十五頁，共35頁。

擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。2.擴散電容CD反之，由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內也形成類似的濃度梯度分布曲線。第二十六頁，共35頁。擴散電容示意圖若外加正向電壓不同，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結兩側堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當于電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。第二十七頁，共35頁。勢壘、擴散電容都與結面積S成正比。點接觸二極管的結面積很小，CT、CD都很小，只有0.5至幾皮法。面結合型二極管中的整流管，因結面積大，CT、CD約在幾皮法至200皮法。在等效電路中，CT和CD是并聯(lián)的，總的結電容為兩者之和，即C=CT+CD。當PN結正偏時，擴散電容起主要作用，C≈CD，當PN結反偏時，勢壘電容起主要作用，C≈CT。第二十八頁，共35頁。1.3二極管1.3.1二極管的基本結構1.3.2二極管的伏安特性1.3.3二極管的參數(shù)、型號及選擇1.3.4二極管的分析方法1.3.5二極管的應用第二十九頁，共35頁。

1.3.1二極管的基本結構在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點接觸型二極管PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻