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单元1 半导体器件的理论基础 1.1 半导体基础 1.2 PN结原理 二、半导体与金属中的载流子 1.2 PN结 1. PN结的形成 2. PN结的单向导电性 3. PN结的穿通 4. PN结的反向击穿 5. PN结的电容效应 6. PN结的动态特性 7、PN结的动态特性 5、PN结的热效应 理想PN结的电流电压方程： 二极管的电流在一定电压下将是温度的函数。 Temperature Effects Diode current will increase as a specific voltage for both bias polarities 通态压降UF是温度的函数。在电流密度较小时，其温度系数是负数。电流密度较大时，其温度系数为正。 PN结的反向电流会随着结温的上升而增大。 温度升高还会使得PN结的雪崩击穿电压UB提高。 为避免这些热效应严重影响结型器件的稳定性，必须采用有效的散热措施，因而电力电子装置中的功率器件大多安装在带特制散热器的基座上。 6、PN结的电容效应 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。 结电容按其产生机制和作用的差别可分为势垒电容CT和扩散电容CD 。 1、势垒电容（CT） ： PN结外加电压变化—空间电荷层宽度变化—PN结空间电荷层电荷量变化—电容效应 势垒电容在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容的作用越显著。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层的厚度成反比 2、扩散电容CD： PN结耗尽层外扩散长度内存储的电荷数，随外加电压变化，正向电流越大，存储的电荷越多。亦表现出电容效应。称为扩散电容 3、CT、CD随电压在CJ中所占的比例： 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。 C V CD CT CT、CD随外加电压变化的关系图 ??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。少子空穴浓度分布在大部分高阻N区。因为注入的少子浓度远高于N区的平衡少子浓度，因而使得N区的电阻率下降，电导增加。 1、PN结的电导调制效应（以P+N为例） * * * * * * * 单元1 半导体器件的理论基础 常州信息职业技术学院 新 型 功 率 器 件 1.1 半导体基础 (1)室温电阻率约在10-3～106Ωcm，介于金属和绝缘体之间。 良好的金属导体: 10-6 Ω 典型绝缘体: 1012 Ωcm 一、半导体的基本特性 (2)具有负的温度系数，即电阻一般随温度上升而下降；金属的电阻随温度上升而上升。 (3)具有较高的温差电动势率，而且温差电动势可为正或为负；金属的温差电动势率总是负的。 (4)与适当金属接触或做成P-N结后，电流与电压呈非线性关系，具有整流效应。 (5)具有光敏性，用适当的光照后材料后电阻率会发生变化，产生光电导； (6)半导体中存在电子和空穴两种载流子。 (7)杂质的存在对电阻率产生很大的影响。 上述这些特性使半导体有别与金属和绝缘体而自归一类,需要指出的是,半导体与金属和绝缘体之间并不存在严格界限。 常见的半导体材料 元素半导体 化合物半导体 硅（Si） 锗（Ge） Ⅲ族元素[如铝(Al)、镓(Ga)、铟(在)]和Ⅴ族元素[如磷(P)、砷(同样地)、锑(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族化合物都是半导体材料 电导率： 金属中的载流子浓度与原子密度同数量级，且不随温度变化而明显变化，其典型值为1022～1023cm-3 μ—迁移率（载流子在单位电场中的漂移速度） 金属中的载流子只有电子（价电子） 半导体中的载流子有电子和空穴 电导率： n、p是电子和空穴的浓度 μn、 μp为电子和空穴的迁移率 本征半导体： 完全洁净的、原子周期性排列 电导率： 本征载流子浓度： 在室温（T=300K）下： ni （Ge）≌2.4×1013cm-3 ni （Si） ≌1.5×1010cm-3 ni （GaAs） ≌1.6×106cm-3 本征载流子浓度和样品温度的关系 杂质半导体： 本征半导体内掺入微量的杂质，使半导体的导电能力显著变化，这种半导体称为杂质半导体 半导体中杂质：