半导体器件基本基本原理

1、半导体器件基本基本原理教教 学学 参参 考考 书书4 陈冶明，电力电子器件基础4USING IGBT MODULES4Use Gate Charge to Design the Gate Drive Circuit for Power MOSFETs and IGBT第第2章章 半导体器件基本原理半导体器件基本原理4半导体的基本知识半导体的基本知识4PNPN结及半导体二极管结及半导体二极管特殊二极管特殊二极管本本 章章 的的 学学 习习 要要 求求4半导体“神奇”的性能是如何形成的？4 半导体材料为什么要使用搀杂工艺？4 P型和N型半导体内是否具有静电场？4 在PN结区域到底发生了什么，使得P

2、N结具有单向导电性？4 PN结特性会受到什么环境因素的影响？1 1、半导体的基本知识、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。 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。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、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。物等。物体导电性能取决于由自由电子浓度物体导电性能取决于由自由电子浓度4 导体原子核对电子的束缚较小，自

3、由电子浓度高，导电性能好；4 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；4半导体则介于两者之间，且易受外界因数的影响；价价 电电 子子GeSi半导体材料原子最外层的电子由于受原子核的束缚较小，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。电子（价电子）都是四个。本本 征征 半半 导导 体体完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。征半导体。+4

4、+4+4+4在绝对在绝对0度和没有外界激发时度和没有外界激发时,价电子完全被共价键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），它的导电能力为载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。，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。自由电子自由电子空穴空穴本征半导体的本征激发本征半导体的本征激发+4+4+4+4束缚电子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？本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+

5、4+4+4空穴的存在将吸引临近的价空穴的存在将吸引临近的价电子来填补，这个过程称为电子来填补，这个过程称为复合复合价电子的移动也可以理解为空穴价电子的移动也可以理解为空穴反方向在迁移反方向在迁移空穴的迁移相当于正电荷的空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此空穴也可以认为移动，因此空穴也可以认为是载流子是载流子空穴和电子数目相等、移动方向空穴和电子数目相等、移动方向相反相反电子电流与空穴电流电子电流与空穴电流 在没有外部电场作用下，空穴电子对不断产生又不断复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。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

6、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的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。空穴电流。空空穴穴呢？呢？本征本征半导半导体的体的导电导电性？性？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。温度越高，本征半导体载流子的浓度越高，本征半导体的温度越高，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电能力越强。温度对半导体材料和器件性能

7、的影响是半导体的一大特点。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。征半导体材料的应用受到很大限制。掺杂半导体掺杂半导体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。电子电子N型半导体材料型半导体材料4 在本征半导体中掺入五价的磷，由于每个磷原子有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个价电子，故在构成共价键结构时将产生一个自由电子。子。+PSiSiSiSiSiSiP通过掺杂，半导体材料中电子载流子数目将比本征激通过掺杂，半导

8、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。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。材料的性能可以得到很好的控制。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型半导体或N（Negative）型半导体。）型半导体。如果不考虑本征激发，如果不考虑本征激发，N型半导体的空穴浓度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，因此由于电子浓度高于空穴，因此N型半导体的多数载流子型半导体的多数载流子是电

9、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，个价电子，故在构成共价键结构时将产生一个空穴。故在构成共价键结构时将产生一个空穴。B+空穴空穴SiSiSiSiSiSiB这种以空穴导电作为主要导电方式的半导体称为空穴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型半导体或P（Positive）型半导体。多数载流子为空）型半导体。多数载流子为空穴。穴。对比对比P型半导体和型半导体和N型半导体型半导体P型和型和N型半导体的对比型半导体的对比PN掺杂材料空穴和电子浓度多数载流子类型3价元素5价元素空穴浓度高电子浓度高空

10、穴电子为什么要对半导体采用搀杂工艺为什么要对半导体采用搀杂工艺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。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。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个十分重要的环境因素空穴到底是什么？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？搀杂半导体中，电子空穴还是成对产生的吗？N N型半导体中的自由电子多于

11、空穴，型半导体中的自由电子多于空穴，P P型半导体中的空穴型半导体中的空穴多于自由电子，是否多于自由电子，是否N N型半导体带负电，型半导体带负电，P P型半导体带正型半导体带正电？电？P P、N N型半导体中是否存在型半导体中是否存在“净净”电荷或是静电场？电荷或是静电场？作业（作业（3月月21日日14点点10分前交）分前交）2、PN结注意：注意：PN结不可能通过将结不可能通过将P型半导体和型半导体和N型半导体压在一起型半导体压在一起而形成。而形成。在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和型半导体和N型半型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了导体

12、，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。结。怎样才能实现怎样才能实现PN半导体的半导体的“紧密紧密”接触？接触？在在“紧密紧密”接触的接触的PN结区域，会发生什么？结区域，会发生什么？PN空 穴 扩 散电 子 扩 散内电场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；PN结的形成结的形成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

13、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；课课 堂堂 讨讨 论论1、为什么、为什么PN结不可能通过将结不可能通过将P型半导体和型半导体和N型半导体压在一起而形成？型半导体压在一起而形成？2、当按照上述描述形成耗尽区后，、当按照上述描述形成耗尽区后，PN结附近是否就结附近是否就“安分守己安分守己”了？了？在在PNPN结附近，存在两种趋势：结附近，存在两种趋势：载流子浓度差异引起

14、的扩散载流子浓度差异引起的扩散 内部电场引起的漂移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，远离当然不是，远离PNPN的地方浓度低。的地方浓度低。4、如果在、如果在PN结的两端加上不同方向的电压，会出现什么情况？结的两端加上不同方向的电压，会出现什么情况？不同偏置条件下的不同偏置条件下的PN结结4正偏置：在正偏置：在PN结的结的P区加正、区加正、N区加负；区加负；4 负偏置：在负偏置：在PN结的结的P区加负、区加负、N区加正；区加正；PN内电场PN结正偏置结正偏置外 加 电 场正偏置正偏置外电场削弱内电场外电场削弱内电场耗尽区电荷减少耗尽区电

15、荷减少耗尽区（空间电荷区）变窄耗尽区（空间电荷区）变窄P区空穴在外电场的驱动下不断穿越耗尽区进入区空穴在外电场的驱动下不断穿越耗尽区进入N区，而区，而N区电子也在外电场的驱动下不断穿区电子也在外电场的驱动下不断穿越耗尽区进入越耗尽区进入P区，从而形成电流。区，从而形成电流。课课 堂堂 讨讨 论论PNPN结在正偏置下，结在正偏置下， P P区空穴在外电场的驱动下不断穿越区空穴在外电场的驱动下不断穿越耗尽区进入耗尽区进入N N区，而区，而N N区电子也在外电场的驱动下不断穿区电子也在外电场的驱动下不断穿越耗尽区进入越耗尽区进入P P区。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为什么不会

16、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？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？PN外加电场空穴扩散电子漂移扩散与漂移效果的平衡，一方面将是耗尽区保持稳定，另一方面也将使少数载流子的浓度扩散与漂移效果的平衡，一方面将是耗尽区保持稳定，另一方面也将使少数载流子的浓度随距随距PNPN边界的距离增大而下降。边界的距离增大而下降。PN结正向偏置状态总结结正向偏置状态总结PN结在正向偏置的时候，外部电场将消弱内部电场结在正向偏置的时候，外部电场将消弱内部电场的影响。的影响。P区的空穴和区的空穴和N区的电子在外部电场的作用下，分别进入（注区的电子在外部

17、电场的作用下，分别进入（注入）入）N区和区和P区，形成电流。区，形成电流。由于参与导电的分别是进入由于参与导电的分别是进入P区的电子和进入区的电子和进入N区的区的空穴，因此空穴，因此PN在正向偏置下的导电是在正向偏置下的导电是“少子少子”导电。导电。与此同时，与此同时，P区的空穴和区的空穴和N区的电子在耗尽区电场的吸引下区的电子在耗尽区电场的吸引下也向也向PN结处漂移。它们与从对面过流的结处漂移。它们与从对面过流的“少子少子”复合。复合。少子在外部电场的激励下不断穿越少子在外部电场的激励下不断穿越PN结进入结进入“对方领地对方领地”，之后与多数载流子复合，从而形成源源不断的电流。之后与多数载流

18、子复合，从而形成源源不断的电流。外电场增强会引起更多的少子注入。外电场增强会引起更多的少子注入。由于内部电场被外部电场更多地削弱，漂移作用被大大抑制。由于内部电场被外部电场更多地削弱，漂移作用被大大抑制。在两种相反作用的影响下，正向电流显著增加。在两种相反作用的影响下，正向电流显著增加。正向偏置电压的影响正向偏置电压的影响PN结反偏置PN内电场外部电场反向电流内电场被被加强，耗尽区变宽，多子的扩散受抑制。在增强内部电内电场被被加强，耗尽区变宽，多子的扩散受抑制。在增强内部电场的作用下，少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反场的作用下，少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。向电流。PN结正向偏置与反向偏置的比较结正向偏置与反向偏置的比较偏置电压偏置电压正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置外部电场与内部电场外部电场与内部电场（耗尽区）的关系（耗尽区）的关系是否形成电流是否形成电流导电载流子的类型导电载流子的类型电流与偏置电压电流与偏置电压的关系的关系消弱消弱增强增强形成正向电流形成正向电流形成反向电流形成反向电流注入的少数载流子注入的少数载流子抽取的少数载流子抽取的少数载流子受偏置电压影响大受偏置电压影响大受偏置电压影响小受偏置电压影响小PN结的伏安特性（单向导电性）结的伏安特性（单向导电性）UI势垒电压势垒电压 硅硅PNPN结约结约0.