电力电子技术半导体基础资料.ppt

1.1半导体的导电特性,1.1.1本征半导体及其导电特性,1.1.2N型半导体,1.1.3P型半导体,1.1半导体的导电特性,1.导体：电阻率109cm的物质。如橡胶、塑料等。,3.半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物。,通常情况下纯净半导体的导电能力较差，但随着外界条件改变，其导电能力会有较大改变。,半导体具有以下特性：,(1)热敏特性：当半导体受热时，电阻率会发生变化，利用这个特性制成热敏元件。(2)光敏特性：当半导体受到光照时，电阻率会发生改变，利用这个特性制成光电器件。(3)掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某种微量的杂质后，它的导电能力就可增加几十万乃至几百万倍。利用这种特性制成各种不同用途的半导体器件。,1.1.1本征半导体及其导电特性,现代电子学中，用得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。,硅和锗的晶体结构,四价元素的原子常常用+4电荷的正离子和周围4个价电子表示。,简化模型,电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。,完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,价电子,共价键,在绝对0度（T=0K），价电子被共价键束缚着，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。,自由电子,空穴,当温度升高或受光照时，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位空穴。,T,自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。,空穴可看成带正电的载流子,1.半导体中两种载流子,带负电的自由电子,带正电的空穴,2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。,3.本征半导体中自由电子的浓度等于空穴的浓度。,4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断地产生又不断地复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。,5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。,1.1.2N型半导体,杂质半导体有两种,N型半导体,P型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的五价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。,常用的五价杂质元素有磷、锑、砷等。,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,本征半导体掺入五价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。,电子称为多数载流子,空穴称为少数载流子,五价杂质原子称为施主原子。,1.1.3P型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的三价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。,空穴浓度多于电子浓度，即pn。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。,三价杂质原子称为受主原子。,受主原子,空穴,说明：,1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。,3.杂质半导体总体上保持电中性。,4.杂质半导体的表示方法如下图所示。,2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。,(a)N型半导体,(b)P型半导体,1.2PN结的形成及特性,1.2.1PN结的形成,1.2.2PN结的单向导电性,1.2.3PN结的电容效应,1.2.1PN结的形成,在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体，另一侧掺杂成为N型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。,PN结的形成,一、PN结中载流子的运动,耗尽层,1.扩散运动,2.扩散运动形成空间电荷区,电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。,PN结，耗尽层。,3.空间电荷区产生内电场,空间电荷区正负离子之间电位差UD电压势垒；内电场；内电场阻止多子的扩散阻挡层。,4.漂移运动,内电场有利于少子运动漂移。,少子的运动与多子运动方向相反。,5.扩散与漂移的动态平衡,扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡.,空间电荷区的宽度约为几至几十微米；,电压势垒UD，硅材料约为(0.60.8)V,锗材料约为(0.20.3)V。,总结:在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。,因浓度差,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,1.2.2PN结的单向导电性,1.PN外加正向电压,又称正向偏置，简称正偏。,形成正向电流,多子向PN结移动,空间电荷变窄内电场减弱,扩散运动大于漂移运动,PN结在外加正向电压时的情况,外加电场与内电场方向相反，削减内电场的作用,在PN结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻R。,2.PN结外加反向电压(反偏),反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；,外电场使空间电荷区变宽；,不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流I；,由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。,反相偏置的PN结,反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS将急剧增大。,形成反向电流,多子背离PN结移动,空间电荷区变宽,内电场增强,漂移运动大于扩散运动,PN结外加反向电压时的情况,外加电场与内电场方向一致，增强内电场的作用,综上所述：当PN结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。,可见，PN结具有单向导电性。,1.2.3PN结的电容效应,PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CT,二是扩散电容CD,1.势垒电容CT,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。,势垒电容示意图,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。,2.扩散电容CD,反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。,扩散电容示意图,若外加正向电压不同，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当于电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。,势垒、扩散电容都与结面积S成正比。点接触二极管的结面积很小，CT、CD都很小，只有0.5至几皮法。面结合型二极管中的整流管，因结面积大，CT、CD约在几皮法至200皮法。在等效电路中，CT和CD是并联的，总的结电容为两者之和，即C=CT+CD。当PN结正偏时，扩散电容起主要作用，CCD，当PN结反偏时，势垒电容起主要作用，CCT。,1.3二极管,1.3.1二极管的基本结构,1.3.2二极管的伏安特性,1.3.3二极管的参数、型号及选择,1.3.4二极管的分析方法,1.3.5二极管的应用,1.3.1二极管的基本结构,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1)点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(3)平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电