單元1半導(dǎo)體基礎(chǔ)

1、2022-3-1112022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件單元單元1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ)1.2 PN結(jié)原理結(jié)原理2022-3-1222022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體基礎(chǔ) (1) (1)室溫電阻率約在室溫電阻率約在1010-3-310106 6cmcm，介于金，介于金屬和絕緣體之間。屬和絕緣體之間。 良好的金屬導(dǎo)體良好的金屬導(dǎo)體: 10: 10

2、-6 -6 典型絕緣體典型絕緣體: 10: 1012 12 cmcm一、半導(dǎo)體的基本特性一、半導(dǎo)體的基本特性2022-3-1332022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件(2)(2)具有負(fù)的溫度系數(shù)，即電阻一般隨溫度上具有負(fù)的溫度系數(shù)，即電阻一般隨溫度上升而下降；金屬的電阻隨溫度上升而上升。升而下降；金屬的電阻隨溫度上升而上升。(3)(3)具有較高的溫差電動(dòng)勢(shì)率，而且溫差電動(dòng)具有較高的溫差電動(dòng)勢(shì)率，而且溫差電動(dòng)勢(shì)可為正或?yàn)樨?fù)；金屬的溫差電動(dòng)勢(shì)率總是負(fù)勢(shì)可為正或?yàn)樨?fù)；金屬的溫差電動(dòng)勢(shì)率總是負(fù)的。的。(4)(4)與

3、適當(dāng)金屬接觸或做成與適當(dāng)金屬接觸或做成P-NP-N結(jié)后，電流與電結(jié)后，電流與電壓呈非線性關(guān)系，具有整流效應(yīng)。壓呈非線性關(guān)系，具有整流效應(yīng)。2022-3-1442022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件(5)(5)具有光敏性，用適當(dāng)?shù)墓庹蘸蟛牧虾箅娮杈哂泄饷粜?，用適當(dāng)?shù)墓庹蘸蟛牧虾箅娮杪蕰?huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生光電導(dǎo)；率會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生光電導(dǎo)；(6)(6)半導(dǎo)體中存在電子和空穴兩種載流子。半導(dǎo)體中存在電子和空穴兩種載流子。(7)(7)雜質(zhì)的存在對(duì)電阻率產(chǎn)生很大的影響。雜質(zhì)的存在對(duì)電阻率產(chǎn)生很大的影響。上述這些特性使半導(dǎo)體

4、有別與金屬和絕緣體而上述這些特性使半導(dǎo)體有別與金屬和絕緣體而自歸一類自歸一類, ,需要指出的是需要指出的是, ,半導(dǎo)體與金屬和絕緣半導(dǎo)體與金屬和絕緣體之間并不存在嚴(yán)格界限。體之間并不存在嚴(yán)格界限。2022-3-1552022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件常見的半導(dǎo)體材料2022-3-1662022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件二、半導(dǎo)體與金屬中的載流子二、半導(dǎo)體與金屬中的載流子電導(dǎo)率：電導(dǎo)率：nq金屬中的載流子濃度與原子

5、密度同數(shù)量級(jí)，且不金屬中的載流子濃度與原子密度同數(shù)量級(jí)，且不隨溫度變化而明顯變化，其典型值為隨溫度變化而明顯變化，其典型值為1010222210102323cmcm-3-3遷移率（載流子在單位電場(chǎng)中的漂移速度）遷移率（載流子在單位電場(chǎng)中的漂移速度）金屬中的載流子只有電子（價(jià)電子）金屬中的載流子只有電子（價(jià)電子）2022-3-1772022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件半導(dǎo)體中的載流子有電子和空穴半導(dǎo)體中的載流子有電子和空穴電導(dǎo)率：電導(dǎo)率：pnpqnqn n、p p是電子和空穴的濃度是電子和空穴的濃度n n、

6、 p p為電子和空穴的遷移率為電子和空穴的遷移率2022-3-1882022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：電導(dǎo)率：電導(dǎo)率：)(pniiqnTkEhmmTkngnpi0343*2302exp)()2(2本征載流子濃度：本征載流子濃度：2022-3-1992022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件在室溫（在室溫（T=300K）下：）下： ni （Ge） 2.41013cm-3 ni （Si） 1.5101

7、0cm-3 ni （GaAs） 1.6106cm-32022-3-110102022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件本征載流子濃度和樣品溫度的關(guān)系2022-3-111112022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體內(nèi)摻入微量的雜質(zhì)，使半導(dǎo)體的導(dǎo)電本征半導(dǎo)體內(nèi)摻入微量的雜質(zhì)，使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力顯著變化，這種半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體能力顯著變化，這種半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體中雜質(zhì)半導(dǎo)體中雜質(zhì)： 施主雜質(zhì)

8、和受主雜質(zhì)施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)2022-3-112122022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件多數(shù)載流子多數(shù)載流子： P型半導(dǎo)體中的空穴、型半導(dǎo)體中的空穴、 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中的電子稱為多數(shù)載流子中的電子稱為多數(shù)載流子少數(shù)載流子少數(shù)載流子： P型半導(dǎo)體中的電子、型半導(dǎo)體中的電子、 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中的空穴稱為多數(shù)載流子中的空穴稱為多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體：主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體（摻：主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體（摻入三價(jià)元素）入三價(jià)元素）N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體：主要依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體（摻：主要依靠電子導(dǎo)電的

9、半導(dǎo)體（摻入五價(jià)元素）入五價(jià)元素）2022-3-113132022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子來源于：本征雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子來源于：本征激發(fā)和雜質(zhì)電離激發(fā)和雜質(zhì)電離2022-3-114142022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件n型型Si中電子濃度中電子濃度n與溫度與溫度T的關(guān)系：的關(guān)系：雜質(zhì)離化區(qū)雜質(zhì)離化區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)本征激發(fā)區(qū)本征激發(fā)區(qū)2022-3-115152022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)

10、體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件半導(dǎo)體導(dǎo)電具有熱敏性，因此器半導(dǎo)體導(dǎo)電具有熱敏性，因此器件都有一定的工作溫度件都有一定的工作溫度 2022-3-116162022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件1.2 PN結(jié)結(jié)1. PN結(jié)的形成結(jié)的形成2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?. PN結(jié)的穿通結(jié)的穿通4. PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿5. PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)6. PN結(jié)的動(dòng)態(tài)特性結(jié)的動(dòng)態(tài)特性2022-3-117172022-3-1單元單元1 1

11、 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件 1. PN結(jié)的形成結(jié)的形成PN結(jié)是指結(jié)是指P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合部型半導(dǎo)體的結(jié)合部空間電荷層空間電荷層P型型N型型2022-3-118182022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件合金法合金法形成突變結(jié)，雜質(zhì)濃度、摻雜厚度不易控制，形成突變結(jié)，雜質(zhì)濃度、摻雜厚度不易控制，早期電力半導(dǎo)體器件采用早期電力半導(dǎo)體器件采用擴(kuò)散工藝擴(kuò)散工藝形成緩變結(jié)，大功率電子器件采用形成緩變結(jié)，大功率電子器件采用離子注入離

12、子注入 最高注入深度只有最高注入深度只有20um20um，只在電力半導(dǎo)，只在電力半導(dǎo)體器件制造業(yè)中小范圍使用體器件制造業(yè)中小范圍使用外延生長外延生長容易獲得理想的突變結(jié)，但生長層越厚，容易獲得理想的突變結(jié)，但生長層越厚，晶體結(jié)構(gòu)的完美性越不易保證，對(duì)襯底表面要求較高，因晶體結(jié)構(gòu)的完美性越不易保證，對(duì)襯底表面要求較高，因而在電力器件，特別是高耐壓的器件制造工藝中較少采用，而在電力器件，特別是高耐壓的器件制造工藝中較少采用，但在功率集成電路和一些新型的電力器件制造工藝中則被但在功率集成電路和一些新型的電力器件制造工藝中則被普遍采用，如快恢復(fù)二極管。普遍采用，如快恢復(fù)二極管。形成形成PN結(jié)的工藝技術(shù)

13、結(jié)的工藝技術(shù)2022-3-119192022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的電流電壓關(guān)系結(jié)的電流電壓關(guān)系： I=ISexp(qV/kT)-1 IS是反向飽和電流 V 外加電壓2022-3-120202022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件3. PN結(jié)的穿通結(jié)的穿通是指空間電荷區(qū)隨反向電壓的升高而展是指空間電荷區(qū)隨反向電壓的升高而展寬到與電極接通而發(fā)生的短路現(xiàn)象。寬到與電極接通而發(fā)

14、生的短路現(xiàn)象。需要承受很高的反向電壓而正向?qū)〞r(shí)的電需要承受很高的反向電壓而正向?qū)〞r(shí)的電流容量又要很大的流容量又要很大的PN結(jié)比較容易碰到穿通問結(jié)比較容易碰到穿通問題題2022-3-121212022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件空間電荷區(qū) P + nPN結(jié)的穿通結(jié)的穿通2022-3-122222022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件4. PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 PN結(jié)反向電壓增加過大，達(dá)到反向擊穿電結(jié)反向電壓增加

15、過大，達(dá)到反向擊穿電壓壓VBR時(shí)，反向電流將會(huì)急劇增加，破壞了時(shí)，反向電流將會(huì)急劇增加，破壞了PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為反向擊穿。反向擊穿。2022-3-123232022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件 雪崩擊穿雪崩擊穿 齊納擊穿齊納擊穿 熱擊穿熱擊穿PN結(jié)的反向擊穿型式：結(jié)的反向擊穿型式：2022-3-124242022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件 雪崩擊穿雪

16、崩擊穿 雪崩擊穿是電力半導(dǎo)體器件中最常見的擊雪崩擊穿是電力半導(dǎo)體器件中最常見的擊穿現(xiàn)象。穿現(xiàn)象。 為同時(shí)滿足正反兩種偏置狀態(tài)要求為同時(shí)滿足正反兩種偏置狀態(tài)要求（正向?qū)娏魅萘看?、反向耐壓高），功率（正向?qū)娏魅萘看?、反向耐壓高），功率器件的器件的PN結(jié)通常為單邊突變結(jié)。結(jié)通常為單邊突變結(jié)。 2022-3-125252022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件擊穿機(jī)理擊穿機(jī)理：反向電壓反向電壓VR空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度 載載流子漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能流子漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能與晶體原子發(fā)生碰撞使與晶體原子發(fā)生

17、碰撞使之電離之電離 空間電荷層載流子濃度空間電荷層載流子濃度 （數(shù)目倍（數(shù)目倍增）增）反向電流反向電流IR 單向?qū)щ娦栽獾狡茐膯蜗驅(qū)щ娦栽獾狡茐模〒舸〒舸?022-3-126262022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件 雪崩擊穿通常發(fā)生在空間電荷區(qū)雪崩擊穿通常發(fā)生在空間電荷區(qū)較寬較寬的的輕摻雜輕摻雜一側(cè)，對(duì)于單邊突變結(jié)，雪崩擊穿電一側(cè)，對(duì)于單邊突變結(jié)，雪崩擊穿電壓壓UB隨著輕摻雜區(qū)的雜質(zhì)濃度的升高而下降。隨著輕摻雜區(qū)的雜質(zhì)濃度的升高而下降。如硅如硅P+N結(jié)的雪崩擊穿電壓：結(jié)的雪崩擊穿電壓： UB=1.6

18、91018N-3/4特點(diǎn)：特點(diǎn)：當(dāng)當(dāng)N從從1019升高到升高到51020m-3， UB從大約從大約9500V下降到下降到500V左右。左右。 2022-3-127272022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件2022-3-128282022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件2、齊納擊穿（隧道擊穿）、齊納擊穿（隧道擊穿）擊穿機(jī)理：擊穿機(jī)理：反向電壓反向電壓VR 能帶彎曲量能帶彎曲量 P區(qū)與區(qū)與N區(qū)之區(qū)之間能帶間距間能帶間距隧道電流

19、隧道電流 反向電流反向電流IR 單向?qū)щ娦栽獾狡茐模〒舸﹩蜗驅(qū)щ娦栽獾狡茐模〒舸?022-3-129292022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件特點(diǎn)：特點(diǎn)： 齊納擊穿在重?fù)诫s齊納擊穿在重?fù)诫sPN結(jié)中才會(huì)發(fā)生。主要結(jié)中才會(huì)發(fā)生。主要取決于空間電荷區(qū)內(nèi)的最大電場(chǎng)（一般約為取決于空間電荷區(qū)內(nèi)的最大電場(chǎng)（一般約為2105V/cm） 摻雜濃度越高，齊納擊穿電壓越低摻雜濃度越高，齊納擊穿電壓越低。2022-3-130302022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新

20、型型 功功 率率 器器 件件雪崩擊穿和隧道擊穿的主要區(qū)別雪崩擊穿和隧道擊穿的主要區(qū)別 隧道擊穿主要取決于空間電荷區(qū)中的最大電場(chǎng)；隧道擊穿主要取決于空間電荷區(qū)中的最大電場(chǎng)；雪崩擊穿除了與電場(chǎng)有關(guān)外雪崩擊穿除了與電場(chǎng)有關(guān)外,還與空間電荷區(qū)寬還與空間電荷區(qū)寬度有關(guān)。度有關(guān)。 雪崩擊穿是碰撞電離的結(jié)果，如果用光照等其雪崩擊穿是碰撞電離的結(jié)果，如果用光照等其他辦法，同樣會(huì)有倍增效應(yīng)；而上述外界作用他辦法，同樣會(huì)有倍增效應(yīng)；而上述外界作用對(duì)隧道擊穿則不會(huì)有明顯的影響。對(duì)隧道擊穿則不會(huì)有明顯的影響。 隧道擊穿電壓隨著溫度的增加而降低，溫度系隧道擊穿電壓隨著溫度的增加而降低，溫度系數(shù)為負(fù)數(shù)；而雪崩擊穿電壓隨著

21、溫度的增加而數(shù)為負(fù)數(shù)；而雪崩擊穿電壓隨著溫度的增加而增加，溫度系數(shù)為正數(shù)增加，溫度系數(shù)為正數(shù) 。2022-3-131312022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件3、熱擊穿、熱擊穿PN結(jié)中電流：結(jié)中電流：TkETnJNnpNnnLpqDLnqD：JTkqVJJgisDinAippnpnpnss0322020000exp/1exp則又反向飽和電流TJs 損耗損耗 T j 擊穿擊穿2022-3-132322022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率

22、率 器器 件件5、PN結(jié)的熱效應(yīng)結(jié)的熱效應(yīng) kTqVkTETkqVJJgsexpexp1exp0理想理想PN結(jié)的電流電壓方程：結(jié)的電流電壓方程：二極管的電流在一定電壓下將是溫度的函數(shù)。二極管的電流在一定電壓下將是溫度的函數(shù)。2022-3-133332022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件Temperature EffectsDiode current will increase as a specific voltage for both bias polarities v 通態(tài)壓降通態(tài)壓降UF是溫度的函數(shù)。

23、是溫度的函數(shù)。在電流密度較在電流密度較小時(shí)，其溫度小時(shí)，其溫度系數(shù)是負(fù)數(shù)。系數(shù)是負(fù)數(shù)。電流密度較大電流密度較大時(shí)，其溫度系時(shí)，其溫度系數(shù)為正。數(shù)為正。2022-3-134342022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件v PN結(jié)的反向電流結(jié)的反向電流會(huì)隨著結(jié)溫的上升而增會(huì)隨著結(jié)溫的上升而增大。大。v 溫度升高還會(huì)使得溫度升高還會(huì)使得PN結(jié)的雪崩擊穿電壓結(jié)的雪崩擊穿電壓UB提高。提高。為避免這些熱效應(yīng)嚴(yán)重影響結(jié)型器件的穩(wěn)定性，為避免這些熱效應(yīng)嚴(yán)重影響結(jié)型器件的穩(wěn)定性，必須采用有效的散熱措施，因而電力電子裝置中必須采

24、用有效的散熱措施，因而電力電子裝置中的功率器件大多安裝在帶特制散熱器的基座上。的功率器件大多安裝在帶特制散熱器的基座上。2022-3-135352022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件6、PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分，又稱為微分電容。電容。 結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別可結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別可分為勢(shì)壘電容分為勢(shì)壘電容CT和擴(kuò)散電容和擴(kuò)散電容CD 。2022-3-136362

25、022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件1、勢(shì)壘電容（、勢(shì)壘電容（CT） ： PN結(jié)外加電壓變化結(jié)外加電壓變化空間電荷層寬度變空間電荷層寬度變化化PN結(jié)空間電荷層電荷量變化結(jié)空間電荷層電荷量變化電容效應(yīng)電容效應(yīng) 勢(shì)壘電容在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加勢(shì)壘電容在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容的作用越顯著。勢(shì)壘電電壓頻率越高，勢(shì)壘電容的作用越顯著。勢(shì)壘電容的大小與容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層的厚結(jié)截面積成正比，與阻擋層的厚度成反比度成反比2022-3-137372022-3-1單元單元

26、1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件2、擴(kuò)散電容、擴(kuò)散電容CD： PN結(jié)耗盡層外擴(kuò)散長度內(nèi)存儲(chǔ)的電荷數(shù)，結(jié)耗盡層外擴(kuò)散長度內(nèi)存儲(chǔ)的電荷數(shù)，隨外加電壓變化，正向電流越大，存儲(chǔ)的電隨外加電壓變化，正向電流越大，存儲(chǔ)的電荷越多。亦表現(xiàn)出電容效應(yīng)。稱為擴(kuò)散電容荷越多。亦表現(xiàn)出電容效應(yīng)。稱為擴(kuò)散電容2022-3-138382022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件3、CT、CD隨電壓在隨電壓在CJ中所占的比例：中所占的比例： 正向偏置條件下，當(dāng)正電壓較低時(shí)

27、，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)正向偏置條件下，當(dāng)正電壓較低時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)較弱，勢(shì)壘電容占主要成份；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)較弱，勢(shì)壘電容占主要成份；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，使擴(kuò)散電容按指數(shù)規(guī)律上升，成為散運(yùn)動(dòng)加劇，使擴(kuò)散電容按指數(shù)規(guī)律上升，成為PN結(jié)的主要成份。結(jié)的主要成份。 反向偏置狀態(tài)下，因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制，因而表反向偏置狀態(tài)下，因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制，因而表現(xiàn)出較小的擴(kuò)散電容，因此現(xiàn)出較小的擴(kuò)散電容，因此PN結(jié)電容以勢(shì)壘電容結(jié)電容以勢(shì)壘電容為主。為主。2022-3-139392022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件CVCDCTCT、

28、CD隨外加電壓變化的關(guān)系圖隨外加電壓變化的關(guān)系圖2022-3-140402022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件 P區(qū)向區(qū)向N區(qū)注入空穴，在區(qū)注入空穴，在N區(qū)形成少數(shù)載流子積累，區(qū)形成少數(shù)載流子積累，與與N區(qū)的電子復(fù)合而形成少子濃度梯度，隨著正向區(qū)的電子復(fù)合而形成少子濃度梯度，隨著正向電流的上升，少數(shù)載流子的積累增多，少子濃度梯電流的上升，少數(shù)載流子的積累增多，少子濃度梯度變緩。少子空穴濃度分布在大部分高阻度變緩。少子空穴濃度分布在大部分高阻N區(qū)。因區(qū)。因?yàn)樽⑷氲纳僮訚舛冗h(yuǎn)高于為注入的少子濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)的平衡

29、少子濃度，因區(qū)的平衡少子濃度，因而使得而使得N區(qū)的電阻率下降，電導(dǎo)增加。區(qū)的電阻率下降，電導(dǎo)增加。1、PN結(jié)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)（以結(jié)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)（以P+N為例）為例）7、PN結(jié)的動(dòng)態(tài)特性結(jié)的動(dòng)態(tài)特性2022-3-141412022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件NP+pxp 正偏正偏P+N結(jié)的結(jié)的N區(qū)少子電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的區(qū)少子電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的載流子分布示意圖載流子分布示意圖2022-3-142422022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器

30、 件件 利用二極管正、反向電流相差懸殊這一特利用二極管正、反向電流相差懸殊這一特性，可以把二極管作開關(guān)使用。當(dāng)開關(guān)性，可以把二極管作開關(guān)使用。當(dāng)開關(guān)K打向打向A時(shí)，二極管處于正向，電流很大，相當(dāng)于接有負(fù)時(shí)，二極管處于正向，電流很大，相當(dāng)于接有負(fù)載的外回路與電源相連的開關(guān)閉合，回路處于接載的外回路與電源相連的開關(guān)閉合，回路處于接通狀態(tài)（開態(tài)）；若把通狀態(tài)（開態(tài)）；若把K打向打向B，二極管處于反，二極管處于反向，反向電流很小，相當(dāng)于外回路的開關(guān)斷開，向，反向電流很小，相當(dāng)于外回路的開關(guān)斷開，回路處于斷開狀態(tài)（關(guān)態(tài)）?；芈诽幱跀嚅_狀態(tài)（關(guān)態(tài)）。2022-3-143432022-3-1單元單元1 1

31、半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件在開態(tài)時(shí)，流過負(fù)載的穩(wěn)態(tài)電流為在開態(tài)時(shí)，流過負(fù)載的穩(wěn)態(tài)電流為I1LJRVVI11 V1為外加電源電壓，為外加電源電壓，VJ為二極管的正向壓降，對(duì)為二極管的正向壓降，對(duì)硅管硅管VJ約為約為0.7V，鍺管，鍺管VJ約為約為0.3V，RL為負(fù)載電為負(fù)載電阻。通常阻。通常VJ遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于V1，所，所以上式可近似寫為以上式可近似寫為LRVI11 在關(guān)態(tài)時(shí)，流過在關(guān)態(tài)時(shí)，流過負(fù)載的電流就是負(fù)載的電流就是二極管的反向電二極管的反向電流流IR。2022-3-144442022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基

32、礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件 把二極管作為開關(guān)使用時(shí)，若回把二極管作為開關(guān)使用時(shí)，若回路處于開態(tài)，在路處于開態(tài)，在“開關(guān)開關(guān)”（即二極管）（即二極管）上有微小壓降；當(dāng)回路處于關(guān)態(tài)時(shí)，上有微小壓降；當(dāng)回路處于關(guān)態(tài)時(shí)，在回路中有微小電流，這在回路中有微小電流，這與一般的機(jī)與一般的機(jī)械開關(guān)有所不同械開關(guān)有所不同。2022-3-145452022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件LP貯存電荷Q載流子濃度x電荷的貯存效應(yīng)電荷的貯存效應(yīng)PNPN結(jié)由正偏突然轉(zhuǎn)為反結(jié)由正偏突然轉(zhuǎn)

33、為反偏時(shí)，在偏時(shí)，在N N區(qū)正向偏壓區(qū)正向偏壓下積累的非平衡載流子下積累的非平衡載流子空穴將會(huì)首先被空間電空穴將會(huì)首先被空間電荷區(qū)中的強(qiáng)電場(chǎng)抽回荷區(qū)中的強(qiáng)電場(chǎng)抽回P P區(qū)，形成很大的反向電區(qū)，形成很大的反向電流流I IR R，直至額外空穴抽，直至額外空穴抽到一定程度其值才開始到一定程度其值才開始下降，又經(jīng)過一段時(shí)間下降，又經(jīng)過一段時(shí)間才達(dá)到反向飽和電流值才達(dá)到反向飽和電流值是是P+N2、關(guān)斷過程、關(guān)斷過程2022-3-146462022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件存儲(chǔ)時(shí)間存儲(chǔ)時(shí)間ts：反向：反向電流基本不

34、變電流基本不變下降時(shí)間下降時(shí)間tf：電流：電流由由IR降至降至0.1IR所所經(jīng)歷的時(shí)間經(jīng)歷的時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間：反向恢復(fù)時(shí)間：toff= ts + tf注意：在存儲(chǔ)時(shí)間以注意：在存儲(chǔ)時(shí)間以內(nèi)，結(jié)電壓仍為正值內(nèi)，結(jié)電壓仍為正值2022-3-147472022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件設(shè)由設(shè)由P+P+區(qū)通過空間電荷區(qū)注入?yún)^(qū)通過空間電荷區(qū)注入N N區(qū)的空穴數(shù)目在時(shí)刻區(qū)的空穴數(shù)目在時(shí)刻t t為為N NP P（t t），單位時(shí)間內(nèi)因復(fù)合而在），單位時(shí)間內(nèi)因復(fù)合而在N N區(qū)消失的空穴區(qū)消失的空穴數(shù)在時(shí)刻數(shù)在時(shí)刻t t

35、時(shí)為時(shí)為N NP P（t t）/p/p，而單位時(shí)間內(nèi)積累在，而單位時(shí)間內(nèi)積累在N N區(qū)中的空穴數(shù)目在時(shí)刻區(qū)中的空穴數(shù)目在時(shí)刻t t時(shí)則可用時(shí)則可用N NP P（t t）隨時(shí)間改）隨時(shí)間改變的微分速率變的微分速率d Nd NP P（t t）/dt/dt來表示。來表示。正向電流瞬態(tài)值：正向電流瞬態(tài)值：dttdQtQdttdNtNqtIppppp)()()()()(若穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，正向電流為若穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，正向電流為IF，N區(qū)正電荷總量為區(qū)正電荷總量為QP則：則：pFpIQ2022-3-148482022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院新新 型型 功功 率率 器器 件件 RFpssppRFpRppRFpFppppRppPpPRIIttQ，tIIItQNIIC，IQQCtCIt：QdttdQtQI1ln, 0)(exp)()0(exp)()()( 則存儲(chǔ)時(shí)間為即為零始衰減時(shí)存儲(chǔ)電荷總量若近似認(rèn)為反向電流開偏后隨時(shí)間衰減的規(guī)律區(qū)存儲(chǔ)的空穴總量在反代入上式得其值為定出由初始條件式中常數(shù)其解為列方程反向電流瞬態(tài)值滿足下2022-3-149492022-3-1單元單元1 1 半導(dǎo)體器件的理