电力电子技术半导体基础.ppt

半导体具有以下特性： (1)热敏特性：当半导体受热时，电阻率会发生变化，利用这个特性制成热敏元件。 (2)光敏特性：当半导体受到光照时，电阻率会发生改变，利用这个特性制成光电器件。 (3)掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某种微量的杂质后，它的导电能力就可增加几十万乃至几百万倍。利用这种特性制成各种不同用途的半导体器件。 1.1.1 本征半导体及其导电特性 硅和锗的晶体结构 * 1.1 半导体的导电特性 1.1.1 本征半导体及其导电特性 1.1.2 N型半导体 1.1.3 P型半导体 1.1 半导体的导电特性 　　1. 导体：电阻率 ? 10-4 ? · cm 的物质。如铜、银、铝等金属材料。 　　2. 绝缘体：电阻率 ? 109 ?· cm的物质。如橡胶、塑料等。 　　3. 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物。 通常情况下纯净半导体的导电能力较差，但随着外界条件改变，其导电能力会有较大改变。 现代电子学中，用得最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。 　　四价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围 4个价电子表示。 +4 简化模型 电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为晶体。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 　　完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 　　将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。 价电子 共价键 　　在绝对0度（T=0K），价电子被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 自由电子 空穴 当温度升高或受光照时 ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。 T ? 自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。 　　空穴可看成带正电的载流子 1. 半导体中两种载流子 带负电的自由电子 带正电的空穴 　　2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子 - 空穴对。 　　3. 本征半导体中自由电子的浓度等于空穴的浓度。 　　4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断地产生又不断地复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。 　　5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。 1.1.2 N型半导体 杂质半导体有两种 N 型半导体 P 型半导体 　　在硅或锗的晶体中掺入少量的 五价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。 常用的 五 价杂质元素有磷、锑、砷等。 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。 本征半导体掺入 五价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +5 自由电子 施主原子 　 电子称为多数载流子 空穴称为少数载流子 　　五价杂质原子称为施主原子。 1.1.3 P型半导体 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 　　在硅或锗的晶体中掺入少量的 三价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。 +3 　　空穴浓度多于电子浓度，即 p n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。 　　三价杂质原子称为受主原子。 受主原子 空穴 说明： 　　1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。 3. 杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。 　　2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。 (a)N 型半导体 (b) P 型半导体 1.2 PN结的形成及特性 1.2.1 PN结的形成 1.2.2 PN结的单向导电性 1.2.3 PN结的电容效应 1.2.1 PN结的形成 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。 P N PN结 　PN 结的形成 一、 PN 结中载流子的运动 耗尽层 空间电荷区 P N 1. 扩散运动 　　2. 扩散运动形成空间电荷区 　　电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。 —— PN 结，耗尽层。 P N 3. 空间电荷区产生内电场 P N 空间电荷区 内电场 UD 　　空间电荷区正