半导体器件基本原理

对比P型半导体和N型半导体
P型和N型半导体的对比 掺杂材料
空穴和电子浓度 多数载流子类型
P
3价元素 空穴浓度高
空穴
N
5价元素 电子浓度高
电子
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十分重要的环 境因素
作业（3月21日14点10分前交）
1) 空穴到底是什么？ 2) 搀杂半导体中，电子空穴还是成对产生的吗？ 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
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
P
空穴扩散
N
－－ ＋＋ －－ ＋＋ － －内电场＋ ＋ －－ ＋＋ －－ ＋＋
电子扩散
PN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；
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。
空穴和电子数目相等、移动方向相反
电子电流与空穴电流
空穴 呢？
➢ 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。
电子，是否N型半导体带负电，P型半导体带正电？ 4) P、N型半导体中是否存在“净”电荷或是静电场？
2、PN结
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。
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。
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？
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；
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。
空穴
Si
Si
+
BSi
Si
B
Si
Si
•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。
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
Ge
Si
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。
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。
电子
Si
Si
+
PSi
Si
Si
Si
P
•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。
•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。
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。
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。
真正广泛应用的是掺杂半导体材料。
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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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束缚电子
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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
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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