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电力电子应用技术_第二讲半导体基础.ppt
* 在T=0K时,半导体的价带被填满成为满带,但当温度升高时,满带(价带)中的电子受激发而越过较窄的禁带跃迁到上面的空带(导带)中。当价带中的电子向导带跃迁后,价带也出现空位(空穴),此时价带和空带均成为导带。在外电场的作用下,空带中的电子和价带中的空穴均参与导电,两者反向移动而形成同向电流(空穴带正电荷)。 半导体基础知识 P型半导体 在本征半导体中掺入三价原子,在构成共价键结构时将产生一个空穴 B(硼) + 空穴 Si Si Si Si Si Si B 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P(Positive)型半导体。 多数载流子为空穴。 半导体基础知识 掺杂半导体: 一般情况下,杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少数载流子数量的1010倍或更多,因此,杂质半导体比本征半导体的导电能力可增强几十万倍。 在室温情况下,本征硅中的磷杂质等于10-6数量级时,电子载流子的数目将增加几十万倍。 半导体基础知识 为什么要对半导体采用掺杂工艺? 掺杂半导体的载流子浓度主要取决于掺杂类型和比例,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掺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个十分重要的环境因素 P N 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 空穴 电子 P型和N型半导体的对比 半导体基础知识 课堂讨论 空穴到底是什么? 掺杂半导体中,电子空穴还是成对产生的吗? N型半导体中的自由电子多于空穴,P型半导体中的空穴多于自由电子,是否N型半导体带负电,P型半导体带正电? P、N型半导体中是否存在“净”电荷或是静电场? PN结 PN结是半导体的基础。 在同一片半导体基片上,分别制造P型和N型半导体,经过载流子的扩散,在它们的交界面处就形成了PN结。 PN结不能通过将P型半导体和N型半导体压在一起而形成。 一般通过异型掺杂局部改变材料导电类型的方法,或通过晶体的外延生长新生一层导电类型相反的材料层的方法形成PN结。 PN结的主要特点:单向导电性。正偏置电阻极低,负偏置电阻极高。 PN结 PN结的形成: 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; PN结 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; 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; PN结 PN结正偏置 正偏置→外电场削弱内电场→耗尽区电荷减少→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N区,而N区电子也在外电场的驱动下不断穿越耗尽区进入P区,从而形成电流。 PN结 为什么不会像零偏压那样形成逐步扩大的内电场阻碍电流的形成? 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PN边界的距离增大而下降。 PN结 PN结正向偏置 PN结在正向偏置的时候,外部电场将消弱内部电场的影响。 P区的空穴和N区的电子在外部电场的作用下,分别进入(注入)N区和P区,形成电流。 由于参与导电的分别是进入P区的电子和进入N区的空穴,因此PN在正向偏置下的导电是“少子”导电。 与此同时,P区的空穴和N区的电子在耗尽区电场的吸引下也向PN结处漂移。它们与从对面流过的“少子”复合。 少子在外部电场的激励下不断穿越PN结进入“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。 正向偏置电压影响 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。 在两种相反作用的影响下,正向电流显著增加。 PN结 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,只能形成较小的反向电流。 PN结反偏置 4. PN结的单向导电性 PN结反向偏置时的情况 PN结 PN结正向偏置与反向偏置的比较 偏置电压 正向偏置 反向偏置 外部电场与内部电场(耗尽区)的关系 是否形成电流
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