半导体器件基本原理

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1、讲课的原则阐述科技发展的逻辑脉络着重电力电子器件方面基本知识着重培养分析电力电子器件性能的能力着重电力电子器件应用中最复杂和关键的问题二极管和IGBT着重锻炼应用电力电子器件的基本技能教学参考书陈冶明，《电力电子器件基础》USINGIGBTMODULESUseGateChargetoDesigntheGateDriveCircuitforPowerMOSFETsandIGBT第2章半导体器件基本原理半导体的基本知识PN结及半导体二极管×特殊二极管本章的学习要求半导体“神奇”的性能是如何形成的？半导体材

2、料为什么要使用搀杂工艺？P型和N型半导体内是否具有静电场？在PN结区域到底发生了什么，使得PN结具有单向导电性？PN结特性会受到什么环境因素的影响？1、半导体的基本知识容易导电的物质称为导体，金属是最常见的导体。有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。物体导电性能取决于由自由电子浓度导体原子核对电子的束缚较小，自由电子浓度高，导电性能好；绝缘体中大多数电子都被原子核束缚，自由电子浓度很低，

3、导电性能差；半导体则介于两者之间，且易受外界因数的影响；价电子GeSi☆半导体材料原子最外层的电子由于受原子核的束缚较小，比较容易变成自由电子－价电子☆现代电子学中，用的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。本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。+4+4+4+4在绝对0度和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，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。随着温度的升高，价电子的能量越来越高，越来越多的价电子就可以摆脱共价

4、键的束缚，成为可以导电的载流子－本征激发。自由电子空穴本征半导体的本征激发+4+4+4+4束缚电子本征半导体中电子和空穴的浓度哪个更高？本征半导体的导电机理+4+4+4+4空穴的存在将吸引临近的价电子来填补，这个过程称为复合价电子的移动也可以理解为空穴反方向在迁移空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此空穴也可以认为是载流子空穴和电子数目相等、移动方向相反电子电流与空穴电流在没有外部电场作用下，空穴电子对不断产生又不断复合，处于无规律的状态。在外电场的作用下，电子产生有规律的定向运动，从一个原子到另一个原子

5、。在电子定向运动的同时，空穴则按与价电子运动的方向相反，因此空穴运动相当于正电荷的运动，称为空穴电流。空穴呢？本征半导体的导电性？本征半导体的导电性主要取决于温度。温度越高，本征半导体载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强。温度对半导体材料和器件性能的影响是半导体的一大特点。本征半导体材料的导电性能受温度影响太大，使得本征半导体材料的应用受到很大限制。掺杂半导体真正广泛应用的是掺杂半导体材料。电子N型半导体材料在本征半导体中掺入五价的磷，由于每个磷原子有5个价电子，故在构成共价键结构时将产生一个自

6、由电子。+PSiSiSiSiSiSiP通过掺杂，半导体材料中电子载流子数目将比本征激发的载流子多几十万倍。掺杂激发的载流子浓度主要取决于掺杂的浓度，体材料的性能可以得到很好的控制。这种以自由电子导电作为主要导电方式的半导体称为电子型半导体或N（Negative）型半导体。如果不考虑本征激发，N型半导体的空穴浓度大还是电子浓度大？由于电子浓度高于空穴，因此N型半导体的多数载流子是电子。P型半导体材料在本征半导体中掺入三价的，由于每个硼原子有3个价电子，故在构成共价键结构时将产生一个空穴。B+空穴SiSi

7、SiSiSiSiB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。对比P型半导体和N型半导体P型和N型半导体的对比PN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为什么要对半导体采用搀杂工艺搀杂半导体的载流子浓度主要取决于搀杂类型和比例，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

8、与搀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空穴到底是什么？搀杂半导体中，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？作业（3月21日14点10分前交）2、PN结注意：PN结不可能通过将P型半导体和N型半导体压在一起而形成。在同一片半导体