1、tongyibin講講 課課 的的 原原 那么那么4論述科技開展的邏輯脈絡4著重電力電子器件方面根本知識4著重培營養析電力電子器件性能的才干4著重電力電子器件運用中最復雜和關鍵的問題4二極管和IGBT4著重鍛煉運用電力電子器件的根本技藝tongyibin教教 學學 參參 考考 書書4陳冶明，4USING IGBT MODULES4Use Gate Charge to Design the Gate Drive Circuit for Power MOSFETs and IGBTtongyibin第第2章章 半導體器件根本原理半導體器件根本原理4半導體的根本知識半導體的根本知識4PNPN結及半導

2、體二極管結及半導體二極管4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“神奇的性能是如何構成的？4半導體資料為什么要運用攙和工藝？4P型和N型半導體內能否具有靜電場？4在PN結區域究竟發生了什么，使得PN結具有單導游電性？4PN結特性會遭到什么環境要素的影響？tongyibin1 1、半導體的根本知識、半導體的根本知識容易導電的物質稱為導體，金屬是最常見的導體。容易導電的物質稱為導體，金屬是最常見的導體。 有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，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特性處于導體

3、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，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。化物等。tongyibin物體導電性能取決于由自在電子濃度物體導電性能取決于由自在電子濃度4導體原子核對電子的束縛較小，自在電子濃度高，導電性能好；4絕緣體中大多數電子都被原子核束縛，自在電子濃度很低，導電性能差；4半導體那么介于兩者之間，且易受外界因數的影響；tongyibin價價 電電 子子GeSi半導體資料原子最外層的電子由于受原子核的束縛半導體資料原子最外層的電子由于受原子核的束縛較小，比較容易變成自在電子價電子較小，比較容易變成自在

4、電子價電子現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們現代電子學中，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 體體完全純真的、構造完好的半導體晶體，稱為完全純真的、構造完好的半導體晶體，稱為本征半導體。本征半導體。+4+4+4+4在絕對在絕對0度和沒有外界激發時度和沒有外界激發時,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載流子，它的導電才干為粒子即載流子，它的導電才干為0，相當于絕，相當于絕緣體。緣體。隨著溫度的升高，價電子的能量越

5、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。tongyibin自在電子自在電子空穴空穴本征半導體的本征激發本征半導體的本征激發+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挪動也可以了解為價電子的挪動也可以了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挪動，因此空穴也可以以為挪

6、動，因此空穴也可以以為是載流子是載流子空穴和電子數目相等、挪動空穴和電子數目相等、挪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，處于無規律的形狀。不斷復合，處于無規律的形狀。 在外電場的作用下，電子產生有規律的定向運動，在外電場的作用下，電子產生有規律的定向運動，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，空穴那么按與價電子運在電子定向運動的同時，空穴那么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，動的方向相反，因此空穴運動相當于正

7、電荷的運動，稱為空穴電流。稱為空穴電流。空空穴穴呢？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，本征半導體的導電才干越強。溫度對半導體資料和器件性導體的導電才干越強。溫度對半導體資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。本征半導體資料的導電性能受溫度影響太大，使得本征半導體資料的導電性能受溫度影響太大，使得本征半導體資料的運用遭到很大限制。本征半導體資料的運用遭到很大限制。摻雜半導體摻雜半導體真正廣泛運

8、用的是摻雜半導體資料。真正廣泛運用的是摻雜半導體資料。tongyibin電子電子N型半導體資料型半導體資料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，故在構成共價鍵構造時將產生一個價電子，故在構成共價鍵構造時將產生一個自在電子。個自在電子。+PSiSiSiSiSiSiPtongyibin經過摻雜，半導體資料中電子載流子數目將比本經過摻雜，半導體資料中電子載流子數目將比本征激發的載流子多幾十萬倍。征激發的載流子多幾十萬倍。摻雜激發的載流子濃度主要取決于摻雜的濃度，摻雜激發的載流子濃度主要取決于摻雜的濃度，體資料的性能可以得到很好的控制。體

9、資料的性能可以得到很好的控制。這種以自在電子導電作為主要導電方式的半導體這種以自在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NNegative型半導體。型半導體。假設不思索本征激發，假設不思索本征激發，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型半導體的多數載型半導體的多數載流子是電子。流子是電子。tongyibinP型半導體資料 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，故在構成共價鍵構造時將產生一個空個價電子，故在構成共價鍵構

10、造時將產生一個空穴。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PPositive型半導體。多數載型半導體。多數載流子為空穴。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摻雜資料空穴和電子濃度多數載流子類型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和工藝為什么要對半導體采用攙和工藝攙和半導體的載流子濃度主要取決于攙和類型和比例，與本征激發載流子相比，

11、受溫度的影響相對小得多，因此任務溫度范圍寬、性能穩定。隨著溫度的升高，半導體資料的本征激發越來越強，本征激發載流子的濃度也越來越高。當本征激發載流子濃度與攙和載流子濃度到達可比較的程度時，會出現什么景象？半導體資料和器件將失效溫度是影響電力電子器件性能的一個非常重要的環境要素tongyibin空穴究竟是什么？空穴究竟是什么？攙和半導體中，電子空穴還是成對產生的嗎？攙和半導體中，電子空穴還是成對產生的嗎？N N型半導體中的自在電子多于空穴，型半導體中的自在電子多于空穴，P P型半導體中型半導體中的空穴多于自在電子，能否的空穴多于自在電子，能否N N型半導體帶負電，型半導體帶負電，P P型半導體帶

12、正電？型半導體帶正電？P P、N N型半導體中能否存在型半導體中能否存在“凈電荷或是靜電場？凈電荷或是靜電場？作業作業3月月21日日14點點10分前交分前交tongyibin2、PN結留意：留意：PN結不能夠經過將結不能夠經過將P型半導體和型半導體和N型半導體型半導體壓在一同而構成。壓在一同而構成。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，經過載流子的分散，在它們的交界型半導體，經過載流子的分散，在它們的交界面處就構成了面處就構成了PN結。結。怎樣才干實現怎樣才干實現PN半導體的半導體的“嚴密接觸？嚴密接觸？在在“嚴密接觸的嚴密接觸的PN結區

13、域，會發生什么？結區域，會發生什么？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分散運動；3、分散到對方的載流子由于濃度較低，稱為少數載流子；4、P型區由于空穴的分散，留下帶負電的原子，而N型區由于電子的分散，留下帶正電的原子；PN結的構成結的構成tongyibin5、由于帶電的原子被束縛在晶格構造中無法挪動，因此在交界面附近將構成一個空間電荷區，由于該空間電荷區的載流子已分散殆盡，因此又稱為載流子的耗盡區；6、空間電荷區中存在的帶電原子將在空間電荷區中建立內部電場；7、內部電場的建

14、立和加強，使得漂移的影響越來越大，并將妨礙電子和空穴分散運動的開展；8、最終，內部電場必將與分散運動平衡，構成穩定的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結不能夠經過將結不能夠經過將P型半導體和型半導體和N型半導體壓型半導體壓在一同而構成？在一同而構成？2、當按照上述描畫構成耗盡區后，、當按照上述描畫構成耗盡區后，PN結附近能否就結附近能否就“安安分守己了？分守己了？在在PN結附近，存在兩種趨勢：結附近，存在兩種趨勢：載流子濃度差別引起的分散載流子濃度差別引起的分散 內部電場引起的漂移內部電場引起的漂移3、少數載流子的濃度能否是

15、均勻的？、少數載流子的濃度能否是均勻的？當然不是，遠離當然不是，遠離PN的地方濃度低。的地方濃度低。4、假設在、假設在PN結的兩端加上不同方向的電壓，會出現什么結的兩端加上不同方向的電壓，會出現什么情況？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：在正偏置：在PN結的結的P區加正、區加正、N區加負；區加負；4負偏置：在負偏置：在PN結的結的P區加負、區加負、N區加正；區加正；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減弱內電場外電場減弱內電場耗盡區電荷減少耗盡區電荷減少耗盡區空間電荷區變窄耗盡區空間電荷區變窄P區空穴在外電場的

16、驅動下不斷穿越耗盡區進入區空穴在外電場的驅動下不斷穿越耗盡區進入N區，而區，而N區電子也在外電區電子也在外電場的驅動下不斷穿越耗盡區進入場的驅動下不斷穿越耗盡區進入P區，從而構成電流。區，從而構成電流。tongyibin課課 堂堂 討討 論論PNPN結在正偏置下，結在正偏置下， P P區空穴在外電場的驅動下不斷區空穴在外電場的驅動下不斷穿越耗盡區進入穿越耗盡區進入N N區，而區，而N N區電子也在外電場的驅動區電子也在外電場的驅動下不斷穿越耗盡區進入下不斷穿越耗盡區進入P P區。區。為什么不會象前面的分散一樣構成逐漸擴展的內部為什么不會象前面的分散一樣構成逐漸擴展的內部電場而妨礙電流的構成呢？

17、電場而妨礙電流的構成呢？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分散與漂移效果的平衡，一方面將是耗盡區堅持穩定，另一方面也將分散與漂移效果的平衡，一方面將是耗盡區堅持穩定，另一方面也將使少數載流子的濃度隨距使少數載流子的濃度隨距PNPN邊境的間隔增大而下降。邊境的間隔增大而下降。tongyibinPN結正向偏置形狀總結結正向偏置形狀總結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。場的影響。P區的空穴和區的空穴和N區的電子在外部電場的作用下，分區的電子在外部電場的作用下，分別進入注入別

18、進入注入N區和區和P區，構成電流。區，構成電流。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區的電子和進入區的電子和進入N區區的空穴，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“少子導電。少子導電。與此同時，與此同時，P區的空穴和區的空穴和N區的電子在耗盡區電場區的電子在耗盡區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“少少子復合。子復合。少子在外部電場的鼓勵下不斷穿越少子在外部電場的鼓勵下不斷穿越PN結進入結進入“對方對方領地，之后與多數載流子復合，從而構成源源不斷領地，之后與多數載流子復合，從而構成源源不斷的電流。的電流

19、。tongyibin外電場加強會引起更多的少子注入。外電場加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減弱，漂移作用被由于內部電場被外部電場更多地減弱，漂移作用被大大抑制。大大抑制。在兩種相反作用的影響下，正向電流顯著添加。在兩種相反作用的影響下，正向電流顯著添加。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，耗盡區變寬，多子的分散受抑制。在加強內內電場被被加強，耗盡區變寬，多子的分散受抑制。在加強內部電場的作用下，少子漂移加強，但少子數量有限，只能構成部電場的作用下，少子漂移加強，但少子數量有限，只能構成較小的反向電流。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