半导体器件基本原理

本征半导体的导电性主要取决于温度。 本征半导体的导电性主要取决于温度。
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掺杂半导体
温度越高，本征半导体载流子的浓度越高，本征半 温度越高，本征半导体载流子的浓度越高， 导体的导电能力越强。 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。 能的影响是半导体的一大特点。
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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 在本征半导体中掺入三价的，由于每个硼原子有 个价电子， 个价电子，故在构成共价键结构时将产生一个空 穴。 空穴 Si Si Si B Si Si Si
+
B
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•这种以空穴导电作为主要导电方式的半导体称为 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（ 空穴型半导体或 （Positive）型半导体。多数载 ）型半导体。 流子为空穴。 流子为空穴。
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本征半导体的本征激发
空穴
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自由电子
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+4 束缚电子
本征半导体中电子和空穴的浓度哪个更高？ 本征半导体中电子和空穴的浓度哪个更高？
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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， 电子来填补，这个过程称为 复合
+4
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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， 移动，因此空穴也可以认为 是载流子 空穴和电子数目相等、 空穴和电子数目相等、移动 方向相反
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P
空 穴 扩 散
N
－ － － － － － － －
＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
内电场 － － ＋ ＋
电 子 扩 散
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PN结的形成 结的形成
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；
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作业（ 月 日 点 分前交 分前交） 作业（3月21日14点10分前交）
空穴到底是什么？ 1) 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？ 2) 搀杂半导体中，电子空穴还是成对产生的吗？ 型半导体中的自由电子多于空穴， 3) 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， 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？ 型半导体带正电？ 型半导体中是否存在“ 电荷或是静电场？ 4) P、N型半导体中是否存在“净”电荷或是静电场？
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
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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
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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；
Ge
Si
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本征半导体
完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为 完全纯净的、结构完整的半导体晶体， 本征半导体。 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 在绝对 度和没有外界激发时,价电子完全被共 度和没有外界激发时 价键束缚着， 价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电 粒子（ 载流子），它的导电能力为0， ），它的导电能力为 粒子（即载流子），它的导电能力为 ，相当于绝 缘体。 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。
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电子电Байду номын сангаас与空穴电流
空 穴 呢？ 在没有外部电场作用下， 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。 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， 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。 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 在电子定向运动的同时， 的方向相反，因此空穴运动相当于正电荷的运动， 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。 称为空穴电流。 本征 半导 体的 导电 性？
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+
Si
P
•这种以自由电子导电作为主要导电方式的半导体 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（ 称为电子型半导体或 （Negative）型半导体。 ）型半导体。 •通过掺杂，半导体材料中电子载流子数目将比本 通过掺杂， 通过掺杂 征激发的载流子多几十万倍。 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， 掺杂激发的载流子浓度主要取决于掺杂的浓度， 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。 体材料的性能可以得到很好的控制。 如果不考虑本征激发， 型半导体的空穴浓度 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？ 大还是电子浓度大？ 由于电子浓度高于空穴，因此 型半导体的 型半导体的多数载 由于电子浓度高于空穴，因此N型半导体的多数载 是电子。 流子是电子 流子是电子。
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对比P型半导体和 型半导体 对比 型半导体和N型半导体 型半导体和
P型和 型半导体的对比 型和N型半导体的对比 型和 掺杂材料 空穴和电子浓度 多数载流子类型 P N
3价元素 空穴浓度高 空穴
5价元素 电子浓度高 电子
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为什么要对半导体采用搀杂工艺 1. 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。 2. 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。 3. 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 －－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
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） 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 外电场削弱内电场 耗尽区电荷减少→耗尽区 窄 P区空穴在外电场的驱动下不断穿越耗尽区进入 区，而N区电子也在外电 区空穴在外电场的驱动下不断穿越耗尽区进入N区 区空穴在外电场的驱动下不断穿越耗尽区进入 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。 场的驱动下不断穿越耗尽区进入 区，从而形成电流。
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课 堂 讨 论
1、为什么PN结不可能通过将 型半导体和N型半导体压 、为什么 结不可能通过将P型半导体和 型半导体压 结不可能通过将 型半导体和 在一起而形成？ 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 、当按照上述描述形成耗尽区后， 结附近是否就 结附近是否就“ 分守己”了？ 分守己” 在PN结附近，存在两种趋势： PN结附近，存在两种趋势： 结附近 载流子浓度差异引起的扩散← →内部电场引起的漂移 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？ 、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。 PN的地方浓度低 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 、如果在 结的两端加上不同方向的电压， 结的两端加上不同方向的电压 情况？ 情况？
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2、PN结
在同一片半导体基片上，分别制造 型半导体和 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 型半导体， 型半导体 经过载流子的扩散， 面处就形成了PN结 面处就形成了 结。 注意： 结不可能通过将 型半导体和N型半导体 结不可能通过将P型半导体和 注意：PN结不可能通过将 型半导体和 型半导体 压在一起而形成。 压在一起而形成。 怎样才能实现PN半导体的“紧密”接触？ 怎样才能实现 半导体的“紧密”接触？ 半导体的 结区域， 在“紧密”接触的PN结区域，会发生什么？ 紧密”接触的 结区域 会发生什么？
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课 堂 讨 论
PN结在正偏置下， P区空穴在外电场的驱动下不 PN结在正偏置下， 结在正偏置下 断穿越耗尽区进入N 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 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？ 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？ 正向偏置电压变化有什么影响？
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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；
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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－ 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 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗， 的最外层电子（价电子）都是四个。 的最外层电子（价电子）都是四个。
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第2章 半导体器件基本原理 章
半导体的基本知识 PN结及半导体二极管 PN结及半导体二极管 ×特殊二极管
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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？
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不同偏置条件下的PN结 不同偏置条件下的 结
正偏置： 结的P区加 区加负 正偏置：在PN结的 区加正、N区加负； 结的 区加正 区加 负偏置：在PN结的 区加负、N区加正； 负偏置： 结的P区加负 区加正 结的 区加 区加
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PN结正偏置 结正偏置
P
外 加电场
N
－ － ＋ ＋ － ＋ － － ＋ ＋ － ＋ 内电场 － － ＋ ＋ － ＋ － － ＋ ＋ － ＋ － － ＋ ＋ － ＋
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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。 容易导电的物质称为导体，金属是最常见的导体。 导体 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、 绝缘体 陶瓷、塑料和石英。 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， 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、 半导体， 砷化镓和一些硫化物、 称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧 化物等。 化物等。
本征半导体材料的导电性能受温度影响太大，使得 本征半导体材料的导电性能受温度影响太大， 本征半导体材料的应用受到很大限制。 本征半导体材料的应用受到很大限制。
真正广泛应用的是掺杂半导体材料。 真正广泛应用的是掺杂半导体材料。
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N型半导体材料 型半导体材料
在本征半导体中掺入五价的磷， 在本征半导体中掺入五价的磷，由于每个磷原子 个价电子， 有5个价电子，故在构成共价键结构时将产生一 个价电子 个自由电子。 个自由电子。 电子 Si Si Si P Si Si