第二章电力半导体器件2

计算机电路基础第二章半导体器件基础上海第二工业大学冯涛编写上海第二工业大学冯涛编写第二章半导体器件基础2.1 半导体基础知识2.2 PN结与半导体二极管2.3 半导体三极管2.4 场效应管上海第二工业大学冯涛编写章节要求和学习任务PN结的形成和单向导电性二极管的伏安特性半导体三极管的基本结构、工作原理三极管的伏安特性MOS场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线结型场效应管的结构、工作原理和伏安特性曲线上海第二工业大学冯涛编写2.1 半导体基础知识半导体基础知识导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。

绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。

导电能力介于导体与绝缘体之间的物质，称为半导体。

半导体主要有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。

上海第二工业大学冯涛编写2.1 半导体基础知识硅、锗等半导体材料之所以得到广泛的应用，主要是因为它们的导电能力具有一些特殊的方面。

1、热敏性：半导体的电阻率随温度升高而显著减小。

常用于检测温度的变化。

对其他工作性能有不利的影响。

2、光敏性：在无光照时电阻率很高，但一有光照电阻率则显著下降。

利用这个特性可以制成光敏元件。

3、杂敏性：在纯净的半导体中加入杂质，导电能力猛增几万倍至百万倍。

利用这些特性可以制造出具有不同性能用途的半导体器件。

上海第二工业大学冯涛编写2.1 半导体基础知识本征半导体（完全纯净的、结构完整的半导体晶体。

） 点阵结构：每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。

原子最外层的价电子不仅围绕…两个相邻原子共用一对电子。

（ａ）点阵结构（ｂ）共价键结构上海第二工业大学冯涛编写上海第二工业大学冯涛编写由于热激发而产生的自由电子自由电子移走后而留下的空穴共价键共有价电子所形成的束缚作用共价键结构、自由电子、空穴在电子技术中，将空穴看成带正电荷的载流子。

2.1 半导体基础知识共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。

第二章PN结1. PN结：由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触(原子级接触）所形成的结构.任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction），有时也叫做接触(contact）。

2。

PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。

除金属－半导体接触器件外,所有结型器件都由PN结构成。

3。

按照杂质浓度分布，PN 结分为突变结和线性缓变结.突变结杂质分布线性缓变结杂质分布4。

空间电荷区:PN结中，电子由N区转移至P区，空穴由P区转移至N区.电子和空穴的转移分别在N区和P区留下了未被补偿的施主离子和受主离子。

它们是荷电的、固定不动的，称为空间电荷。

空间电荷存在的区域称为空间电荷区。

5. 内建电场:P区和N区的空间电荷之间建立了一个电场—-空间电荷区电场,也叫内建电场。

PN结自建电场:在空间电荷区产生缓变基区自建电场：基区掺杂是不均匀的，产生出一个加速少数载流子运动的电场,电场沿杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。

大注入内建电场:在空穴扩散区(这有利于提高BJT的电流增益和频率、速度性能）。

6. 内建电势差：由于内建电场,空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（用表示).7。

费米能级:平衡PN结有统一的费米能级。

准费米能级：当pn结加上外加电压V后，在扩散区和势垒区范围内,电子和空穴没有统一的费米能级，分别用准费米能级。

8. PN结能带图热平衡能带图平衡能带图非平衡能带图正偏压：P正N负反偏压:P负N正9。

空间电荷区、耗尽区、势垒区、中性区势垒区:N区电子进入P区需要克服势垒，P区空穴进入N区也需要克服势垒.于是空间电荷区又叫做势垒区。

耗尽区：空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽,空间电荷仅由电离杂质提供。

这时空间电荷区又可称为“耗尽区”.中性区:PN结空间电荷区以外的区域(P区和N区）。

耗尽区主要分布在低掺杂一侧，重掺杂一边的空间电荷层的厚度可以忽略。

10。

单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布11. 载流子载流子：能够导电的自由粒子。

第二章功率二极管1、PN结的穿通：是指空间电荷区随反向电压的升高而展宽到与电极接通而发生的短路现象。

需要承受很高的反向电压而正向导通时的电流容量又要很大的PN结比较容易碰到穿通问题2、PN结的反向击穿PN结反向电压增加过大，达到反向击穿电压VBR时，反向电流将会急剧增加，破坏了PN结反向偏置为截止的工作状态，这种状态称为反向击穿。

3雪崩击穿是电力半导体器件中最常见的击穿现象。

为同时满足正反两种偏置状态要求（正向导通电流容量大、反向耐压高），功率器件的PN结通常为单边突变结。

反向电压VR↑—>空间电荷区内电场强度↑—> 载流子漂移运动的动能↑—>与晶体原子发生碰撞使之电离—> 空间电荷层载流子浓度↑ （数目倍增）—>反向电流IR ↑ —> 单向导电性遭到破坏（击穿）。

雪崩击穿通常发生在空间电荷区较宽的轻掺杂一侧，对于单边突变结，雪崩击穿电压UB随着轻掺杂区的杂质浓度的升高而下降。

4、雪崩击穿和隧道击穿的主要区别• 隧道击穿主要取决于空间电荷区中的最大电场；雪崩击穿除了与电场有关外,还与空间电荷区宽度有关。

• 雪崩击穿是碰撞电离的结果，如果用光照等其他办法，同样会有倍增效应；而上述外界作用对隧道击穿则不会有明显的影响。

• 隧道击穿电压随着温度的增加而降低，温度系数为负数；而雪崩击穿电压随着温度的增加而增加，温度系数为正数。

PN结的反向电流会随着结温的上升而增大。

5、PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。

正向偏置条件下，当正电压较低时，扩散运动较弱，势垒电容占主要成份；正向电压较高时，扩散运动加剧，使扩散电容按指数规律上升，成为PN结的主要成份。

反向偏置状态下，因扩散运动被抑制，因而表现出较小的扩散电容，因此PN结电容以势垒电容为主。

6、PN结的电导调制效应（以P+N为例）P区向N区注入空穴，在N区形成少数载流子积累，与N区的电子复合而形成少子浓度梯度，随着正向电流的上升，少数载流子的积累增多，少子浓度梯度变缓。