电力电子技术半导体基础资料幻灯片课件.ppt
电力电子技术半导体基础资料半导体具有以下特性：半导体具有以下特性：(1)热敏特性热敏特性：当半导体受热时，电阻率会发生变化，：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。利用这个特性制成热敏元件。(2)光敏特性：光敏特性：当半导体受到光照时，电阻率会发生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。改变，利用这个特性制成光电器件。(3)掺杂特性：掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某种微量的杂在纯净的半导体中掺入某种微量的杂质后，它的导电能力就可质后，它的导电能力就可增加几十万乃至几百万倍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。利用这种特性制成各种不同用途的半导体器件。1.1.1 1.1.1 本征半导体及其导电特性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。的最外层电子（价电子）都是四个。硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构四四价价元元素素的的原原子子常常常常用用+4 电电荷荷的的正正离离子子和和周周围围 4个个价电子表示。价电子表示。+4简化模型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体也称为晶体晶体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4完完全全纯纯净净的的、不不含含其其他他杂杂质质且且具具有有晶晶体体结结构构的的半半导导体称为体称为本征半导体本征半导体。将将硅硅或或锗锗材材料料提提纯纯便便形形成成单单晶晶体体，它它的的原原子子结结构构为为共共价价键键结结构。构。价价电电子子共共价价键键在在绝绝对对0度度（T=0K），价价电电子子被被共共价价键键束束缚缚着着，本本征征半半导导体体中中没没有有可可以以运运动动的的带带电电粒粒子子（即即载载流流子子），它它的的导导电电能能力力为为0，相当于绝缘体，相当于绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴 当当温温度度升升高高或或受受光光照照时时，将将有有少少数数价价电电子子克克服服共共价价键键的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子，在在原原来来的的共共价价键键中中留留下一个空位下一个空位空穴。空穴。T 自自由由电电子子和和空空穴穴使使本本征征半半导导体体具具有有导导电电能能力力，但很微弱。但很微弱。空穴可看成带正电的载流子空穴可看成带正电的载流子1.半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2.本本征征半半导导体体中中，自自由由电电子子和和空空穴穴总总是是成成对对出出现现，称为称为 电子电子-空穴对。空穴对。3.本征半导体中本征半导体中自由电子的浓度自由电子的浓度等于等于空穴的浓度。空穴的浓度。4.由由于于物物质质的的运运动动，自自由由电电子子和和空空穴穴不不断断地地产产生生又又不不断断地地复复合合。在在一一定定的的温温度度下下，产产生生与与复复合合运运动动会会达达到到平衡，载流子的浓度就一定了。平衡，载流子的浓度就一定了。5.载载流流子子的的浓浓度度与与温温度度密密切切相相关关，它它随随着着温温度度的的升升高，基本按指数规律增加。高，基本按指数规律增加。1.1.2 N 1.1.2 N型半导体型半导体 杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 五五价价杂杂质质元元素素，如如磷磷、锑锑、砷砷等等，即即构构成成 N 型型半半导导体体(或或称称电电子子型型半半导导体体)。常用的常用的 五五 价杂质元素有磷、锑、砷等。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。导体的导电性能发生显著变化。本本征征半半导导体体掺掺入入 五五价价元元素素后后，原原来来晶晶体体中中的的某某些些硅硅原原子子将将被被杂杂质质原原子子代代替替。杂杂质质原原子子最最外外层层有有 5 个个价价电电子子，其其中中 4 个个与与硅硅构构成成共共价价键键，多多余余一一个个电电子子只只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子电子称为多数载流子电子称为多数载流子空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子五五价价杂杂质质原原子子称称为为施施主原子。主原子。1.1.3 P1.1.3 P型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 三三价价杂杂质质元元素素，如如硼硼、镓、铟等，即构成镓、铟等，即构成 P 型半导体型半导体。+3空空穴穴浓浓度度多多于于电电子子浓浓度度，即即 p n。空空穴穴为为多多数数载载流流子子，电电子子为为少数载流子。少数载流子。三三价价杂杂质质原原子子称称为为受受主原子。主原子。受主受主原子原子空穴空穴空穴空穴说明：说明：1.掺掺入入杂杂质质的的浓浓度度决决定定多多数数载载流流子子浓浓度度；温温度度决决定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。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。杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂杂质质半半导导体体载载流流子子的的数数目目要要远远远远高高于于本本征征半半导导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体型半导体(b)P 型半导体型半导体1.2 1.2 PNPN结的形成及特性结的形成及特性1.2.1 PN1.2.1 PN结的形成结的形成1.2.2 PN1.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 1.2.3 PN1.2.3 PN结的电容效应结的电容效应1.2.1 PN1.2.1 PN结的形成结的形成 在在一一块块半半导导体体单单晶晶上上一一侧侧掺掺杂杂成成为为 P 型型半半导导体体，另另一一侧侧掺掺杂杂成成为为 N 型型半半导导体体，两两个个区区域域的的交交界界处处就就形形成成了了一个特殊的薄层，一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。PNPN结结PN PN 结的形成结的形成一、一、PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1.扩散运动扩散运动2.扩扩散散运运动动形成空间电荷区形成空间电荷区电电子子和和空空穴穴浓浓度度差差形形成成多多数数载载流流子子的的扩扩散散运运动。动。PN 结结，耗耗尽层。尽层。PN3.空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电压势垒电压势垒；内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4.漂移运动漂移运动内内电电场场有有利利于于少少子子运运动动漂漂移。移。少少子子的的运运动动与与多多子子运运动动方方向向相反。相反。阻挡层阻挡层5.扩散与漂移的动态平衡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；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；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当当扩扩散散电电流流与与漂漂移移电电流流相相等等时时，PN 结结总总的的电电流流等等于于零零，空空间间电电荷荷区区的的宽宽度度达达到到稳稳定定。即即扩扩散散运动与漂移运动达到动态平衡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；空间电荷区的宽度约为几至几十微米；电压势垒电压势垒 UD，硅材料约为，硅材料约为(0.6 0.8)V,锗材料约为锗材料约为(0.2 0.3)V。总结总结:在一块本征半导体在两侧通过扩散不在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质同的杂质,分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 1.2.2 PN 1.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 1.PN 1.PN 外加正向电压外加正向电压外加正向电压外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区I空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。PNURPN结在外加正向电压时的情况结在外加正向电压时的情况在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的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，可接入电阻正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2.PN 2.PN 结外加反向电压结外加反向电压结外加反向电压结外加反向电压(反偏反偏反偏反偏)反反向向接接法法时时，外外电电场场与与内内电电场场的的方方向向一一致致，增增强强了了内内电场的作用；电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不不利利于于扩扩散散运运动动，有有利利于于漂漂移移运运动动，漂漂移移电电流流大大于于扩扩散电流，电路中产生反向电流散电流，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。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。空间电荷区空间电荷区反相偏置的反相偏置的PNPN结结反反向向电电流流又又称称反反向向饱饱和和电电流流。对对温温度度十十分分敏敏感感，随随着温度升高，着温度升高，IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向URISPN结外加反向电压时的情况结外加反向电压时的情况综上所述：综上所述：当当 PN 结结正正向向偏偏置置时时，回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大的的正正向向电电流流，PN 结结处处于于 导导通通状状态态；当当 PN 结结反反向向偏偏置置时时，回回路路中中反反向向电电流流非非常常小小，几几乎乎等等于于零零，PN 结结处处于于截截止止状态状态。可见，可见，PN PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。1.2.3 PN1.2.3 PN结的电容效应结的电容效应 PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容一是势垒电容CT,二是扩散电容二是扩散电容CD 1.势垒电容势垒电容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，在扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累结的另一侧面积累而形成的。因而形成的。因PN结正偏时，由结正偏时，由N区扩散到区扩散到P区的电子与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的电子就堆积在 P 区内紧靠区内紧靠PN结的附近，形成一定的结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。多子浓度梯度分布曲线。2.扩散电容扩散电容CD 反之，由反之，由P区扩散到区扩散到N区的空穴，在区的空穴，在N区内也形区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容示意图扩散电容示意图 若外加正向电压不若外加正向电压不同，扩散电流即外电路同，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。电流的大小也就不同。所以所以PN结两侧堆积的多结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不子的浓度梯度分布也不同，这就相当于电容的同，这就相当于电容的充放电过程。势垒电容充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性和扩散电容均是非线性电容。电容。势垒、扩散电容都与结面积势垒、扩散电容都与结面积S成正比。成正比。点接触二极管的结面积很小，点接触二极管的结面积很小，CT、CD都很小，只都很小，只有有0.5至几皮法至几皮法。面结合型二极管中的整流管，因结面积大，面结合型二极管中的整流管，因结面积大，CT、CD约在几约在几皮法至皮法至200皮法皮法。在等效电路中，在等效电路中，CT和和CD是并联的，总的结电容为是并联的，总的结电容为两者之和，即两者之和，即 C=CT+CD。当当PN结正偏时，扩散电容起结正偏时，扩散电容起主要主要作用，作用，CCD，当当PN结反偏时，势垒电容起主要作结反偏时，势垒电容起主要作用，用，CCT。1.3 1.3 二极管二极管 1.3.1 1.3.1 二极管的基本结构二极管的基本结构 1.3.2 1.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 1.3.3 1.3.3 二极管的参数、型号及选择二极管的参数、型号及选择 1.3.4 1.3.4 二极管的分析方法二极管的分析方法 1.3.5 1.3.5 二极管的应用二极管的应用 1.3.1 1.3.1 二极管的基本结构二极管的基本结构 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型三大类。三大类。(1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和变电容小，用于检波和变频等高频电路。频等高频电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图(3)(3)平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制往往用于集成电路制造工艺中。造工艺中。PN PN 结面积可大结面积可大可小，用于高频整流和开可小，用于高频整流和开关电路中。关电路中。(2)(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电于工频大电流整流电路。路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型(4)(4)二极管的代表符号二极管的代表符号半导体二极管图片半导体二极管图片在在二二极极管管的的两两端端加加上上电电压压，测测量量流流过过管管子子的的电电流流，i=f(u)关系曲线关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550i/mAu/V正向特性正向特性击穿电压击穿电压U(BR)反反向向特特性性 1.3.2 1.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性导通压降导通压降:硅管硅管0.6-0.7V0.6-0.7V锗管锗管0.2-0.3V0.2-0.3V死区电压死区电压:硅管硅管0.5V0.5V锗管锗管0.1V0.1V此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢
