電力電子應用技術第二講半導體基礎課件

電力電子應用技術第2講半導體基礎內(nèi)容大綱半導體材料半導體基礎知識PN結(jié)3什么是半導體材料？

半導體材料半導體材料是指室溫下導電性介于導電材料和絕緣材料之間的一類功能材料；靠電子和空穴兩種載流子實現(xiàn)導電；室溫時電阻率一般在10-5～107歐·米之間。通常電阻率隨溫度升高而增大；若摻入活性雜質(zhì)或用光、射線輻照，可使其電阻率有幾個數(shù)量級的變化。

半導體材料是半導體工業(yè)的基礎，它的發(fā)展對半導體技術的發(fā)展有極大的影響。

5深灰色、帶藍色調(diào)硅的特性總體特性名稱,符號,序號硅、Si、14系列類金屬族,周期,元素分區(qū)14族(IVA),3,p密度、硬度2330kg/m3、6.5顏色和外表地殼含量25.7%6原子屬性原子量28.0855原子量單位價電子排布[氖]3s23p2電子在每能級的排布2，8，4氧化價（氧化物）4（兩性的）晶體結(jié)構(gòu)鉆石結(jié)構(gòu)物理屬性物質(zhì)狀態(tài)固態(tài)熔點1687K（1414°C）沸點3173K（2900°C）摩爾體積12.06×10-6m3/mol7

發(fā)現(xiàn)

1787年，拉瓦錫首次發(fā)現(xiàn)硅存在于巖石中。1800’戴維誤認為是化合物。1811年，蓋-呂薩克和Thénard可能制備了不純的無定形硅。1823年，硅首次作為一種元素被貝采利烏斯發(fā)現(xiàn)，一年后提煉出純的無定形硅，隨后又對單質(zhì)硅提純。名稱由來

英文silicon，來自拉丁文的silicis，意思為燧石(火石)。在中國大陸，該元素原稱為矽（xī）

，1953年2月重新命名為硅。在臺灣，原稱為硅，后改稱矽。在香港，兩用法皆有，但矽較通用。9用途可用于制作半導體器件和集成電路。還可以合金的形式使用(如硅鐵合金)，用于汽車和機械配件。也與陶瓷材料一起用于金屬陶瓷中。還可用于制造玻璃、混凝土、磚、耐火材料、硅氧烷、硅烷。價格

Regulargradesilicon(99%)costsabout$0.50/g.Silicon99.9%purecostsabout$50/lb;hyperpuresiliconmaycostasmuchas$100/oz.10灰白色鍺的特性總體特性名稱,符號,序號鍺、Ge、32系列類金屬族,周期,元素分區(qū)14族(IVA),4,p密度、硬度5323kg/m3、6顏色和外表地殼含量6×10-4%11原子屬性原子量72.64原子量單位原子半徑（計算值）125（125）pm價電子排布[氬]3d104s24p2電子在每能級的排布2，8，18，4氧化價（氧化物）4（兩性的）晶體結(jié)構(gòu)面心立方晶格物理屬性物質(zhì)狀態(tài)固態(tài)熔點1211.4K（938°C）沸點3093K（2820°C）摩爾體積13.63×10-6m3/mol13UsesandCosts

Themostuseofgermaniumisasasemiconductor,whenitisdopedwitharsenic,gallium,orotherelements.Usesasanalloyingagent,asaphosphorinfluorescentlamps(熒光燈啟輝器）,andasacatalyst.Germaniumandoxidedusedininfraredspectroscopesopticalequipment,usefulasacomponentofwide-anglecameralensesandmicroscopeobjectives.Thefieldoforgano-germaniumchemistryisbecomingincreasinglyimportant.Thecostofgermaniumisabout$3/g.14對人體的影響

鍺對人體的影響主要是可以消除疲勞；防止了貧血；幫助新陳代謝等等。在日本，在珠寶首飾行業(yè)被當作健康用具內(nèi)裝在項鏈，手鏈里販賣，價格不菲15Galliumarsenide

一般系統(tǒng)名稱砷化鎵Galliumarsenide分子式GaAs摩爾質(zhì)量144.645g/mol外觀灰色立方晶體CAS編號[1303-00-0]SMILESGa#As物理特性密度和相5.3176g/cm3,固態(tài)水中的溶解度<0.1g/100ml(20°C)溶點1238°C(1511K)砷化鎵的特性17SiC

碳化硅性質(zhì)化學式SiC摩爾質(zhì)量40.097gmol-1外觀墨綠色無味粉末密度3.22g/cm3，熔點2730°C18SiC

發(fā)現(xiàn)碳化硅（SiC）為硅與碳鍵結(jié)的陶瓷狀化合物，罕見礦物，莫桑石。1893年，愛德華?古德里希?艾其遜制出，并發(fā)展了生產(chǎn)碳化硅的艾其遜電弧爐。性質(zhì)純碳化硅為無色，工業(yè)生產(chǎn)之棕至黑色系由于含鐵之不純物。晶體上彩虹般的光澤則是因為其表面產(chǎn)生之二氧化硅保護層所致。碳化硅70余種結(jié)晶型態(tài)。最常見α-碳化硅、β-碳化硅。碳化硅適合軸承或高溫爐。在任何已能達到的壓力下，它都不會熔化。由于高熱導性、高崩潰電場強度及高最大電流密度，在半導體高功率元件上，不少人試著取代硅。19SiC

制造

天然含量少，主要為人造。將氧化硅砂與碳置入艾其遜電弧爐中，以1600°C至2500°C高溫加熱用途半導體、避雷針、高溫設備、紫外光偵檢器、結(jié)構(gòu)材料、天體探測、碟剎、離合器、柴油微粒濾清器、陶瓷薄膜、裁切工具、加熱元件、核燃料、珠寶、鋼、護具、觸媒擔體等領域。半導體材料半導體基礎知識載流子：能夠運載電流的電子和空穴價電子：現(xiàn)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。GeSi原子核電子高能級低能級圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子能量不能任意取值，只能取特定的離散值(離散軌道)，這種現(xiàn)象稱為電子能量的量子化。電子優(yōu)先搶占低能級能帶滿帶：各個能級都被電子填滿的能帶禁帶：兩個能帶之間的區(qū)域——其寬度直接決定導電性能帶的分類空帶：所有能級都沒有電子填充的能帶價帶：由最外層價電子能級分裂后形成的能帶

未被電子占滿的價帶稱為導帶禁帶的寬度稱為帶隙半導體基礎知識本征半導體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體，稱為本征半導體。自由電子空穴+4+4+4+4束縛電子在絕對0度和沒有外界激發(fā)時,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粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。隨著溫度的升高，價電子的能量越來越高，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(fā)。本征半導體中電子和空穴的濃度哪個更高？半導體基礎知識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電子來填補，這個過程稱為復合價電子的移動也可以理解為空穴反方向在遷移空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此空穴也可以認為是載流子空穴和電子數(shù)目相等、移動方向相反

半導體的導電機理與金屬導體導電機理有本質(zhì)上的區(qū)別：金屬導體中只有自由電子一種載流子參與導電；而半導體中則是本征激發(fā)下的自由電子和復合運動形成的空穴兩種載流子同時參與導電。兩種載流子電量相等、符號相反，即自由電子載流子和空穴載流子的運動方向相反。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4

自由電子載流子運動可以形容為沒有座位人的移動；空穴載流子運動則可形容為有座位的人依次向前挪動座位的運動。半導體內(nèi)部的這兩種運動總是共存的，且在一定溫度下達到動態(tài)平衡。半導體的導電機理半導體基礎知識電子半導體基礎知識摻雜半導體：摻入特定雜質(zhì)單方面增加導電電子或空穴濃度N型半導體：在本征半導體中摻入五價原子，在構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)時將產(chǎn)生一個自由電子+P(磷)SiSiSiSiSiSiP這種以自由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N（Negative）型半導體。N型半導體的多數(shù)載流子是電子。半導體基礎知識P型半導體在本征半導體中摻入三價原子，在構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)時將產(chǎn)生一個空穴B(硼)+空穴SiSiSiSiSiSiB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P（Positive）型半導體。多數(shù)載流子為空穴。半導體基礎知識摻雜半導體：

一般情況下，雜質(zhì)半導體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達到少數(shù)載流子數(shù)量的1010倍或更多，因此，雜質(zhì)半導體比本征半導體的導電能力可增強幾十萬倍。

在室溫情況下，本征硅中的磷雜質(zhì)等于10-6數(shù)量級時，電子載流子的數(shù)目將增加幾十萬倍。半導體基礎知識為什么要對半導體采用摻雜工藝？摻雜半導體的載流子濃度主要取決于摻雜類型和比例，與本征激發(fā)載流子相比，受溫度的影響相對小得多，因此工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定。隨著溫度的升高，半導體材料的本征激發(fā)越來越強，本征激發(fā)載流子的濃度也越來越高。當本征激發(fā)載流子濃度與摻雜載流子濃度達到可比擬的程度時，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？ －－半導體材料和器件將失效

－－溫度是影響電力電子器件性能的一個十分重要的環(huán)境因素PN摻雜材料空穴和電子濃度多數(shù)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P型和N型半導體的對比半導體基礎知識課堂討論空穴到底是什么？摻雜半導體中，電子空穴還是成對產(chǎn)生的嗎？N型半導體中的自由電子多于空穴，P型半導體中的空穴多于自由電子，是否N型半導體帶負電，P型半導體帶正電？P、N型半導體中是否存在“凈”電荷或是靜電場？PN結(jié)PN結(jié)是半導體的基礎。在同一片半導體基片上，分別制造P型和N型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。PN結(jié)不能通過將P型半導體和N型半導體壓在一起而形成。一般通過異型摻雜局部改變材料導電類型的方法，或通過晶體的外延生長新生一層導電類型相反的材料層的方法形成PN結(jié)。PN結(jié)的主要特點：單向?qū)щ娦?。正偏置電阻極低，負偏置電阻極高。PN結(jié)PN結(jié)的形成：1、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(chǎn)生擴散運動；3、擴散到對方的載流子由于濃度較低，稱為少數(shù)載流子；PN結(jié)4、P型區(qū)由于空穴的擴散，留下帶負電的原子，而N型區(qū)由于電子的擴散，留下帶正電的原子；5、由于帶電的原子被束縛在晶格結(jié)構(gòu)中無法移動，因此在交界面附近將形成一個空間電荷區(qū)，由于該空間電荷區(qū)的載流子已擴散殆盡，因此又稱為載流子的耗盡區(qū)；6、空間電荷區(qū)中存在的帶電原子將在空間電荷區(qū)中建立內(nèi)部電場；7、內(nèi)部電場的建立和加強，使得漂移的影響越來越大，并將阻礙電子和空穴擴散運動的發(fā)展；8、最終，內(nèi)部電場必將與擴散運動平衡，形成穩(wěn)定的PN結(jié)。硅PN結(jié)的接觸電勢差約為0.7V；PN結(jié)PN結(jié)正偏置正偏置→外電場削弱內(nèi)電場→耗盡區(qū)電荷減少→耗盡區(qū)（空間電荷區(qū)）變窄P區(qū)空穴在外電場的驅(qū)動下不斷穿越耗盡區(qū)進入N區(qū)，而N區(qū)電子也在外電場的驅(qū)動下不斷穿越耗盡區(qū)進入P區(qū)，從而形成電流。PN結(jié)為什么不會像零偏壓那樣形成逐步擴大的內(nèi)電場阻礙電流的形成？擴散與漂移效果的平衡，一方面將是耗盡區(qū)保持穩(wěn)定，另一方面也將使少數(shù)載流子的濃度隨距PN邊界的距離增大而下降。PN結(jié)PN結(jié)正向偏置PN結(jié)在正向偏置的時候，外部電場將消弱內(nèi)部電場的影響。P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子在外部電場的作用下，分別進入（注入）N區(qū)和P區(qū)，形成電流。由于參與導電的分別是進入P區(qū)的電子和進入N區(qū)的空穴，因此PN在正向偏置下的導電是“少子”導電。與此同時，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子在耗盡區(qū)電場的吸引下也向PN結(jié)處漂移。它們與從對面流過的“少子”復合。少子在外部電場的激勵下不斷穿越PN結(jié)進入“對方領地”，之后與多數(shù)載流子復合，從而形成源源不斷的電流。正向偏置電壓影響外電場增強會引起更多的少子注入。由于內(nèi)部電場被外部電場更多地削弱，漂移作用被大大抑制。在兩種相反作用的影響下，正向電流顯著增加。PN結(jié)內(nèi)電場被被加強，耗盡區(qū)變寬，多子的擴散受抑制。在增強內(nèi)部電場的作用下，少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。PN結(jié)反偏置4.PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)反向偏置時的情況PN結(jié)PN結(jié)正向偏置與反向偏置的比較偏置電壓正向