1、电力电子应用技术第第2 2讲讲 半导体基础半导体基础内容大纲内容大纲半导体材料半导体材料半导体基础知识半导体基础知识PNPN结结3什么是半导体材料？什么是半导体材料？半导体材料半导体材料半导体材料是指室温下导电性介于导电材料和绝缘材料之间的一类功能材料；靠电子和空穴两种载流子实现导电；室温时电阻率一般在10-5107欧米之间。通常电阻率随温度升高而增大；若掺入活性杂质或用光、射线辐照，可使其电阻率有几个数量级的变化。半导体材料是半导体工业的基础，它的半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。发展对半导体技术的发展有极大的影响。4按化学成分和内部结构可分为：1.元素元
2、素半导体：硅、锗、硒、硼、碲、锑等2.化合物化合物半导体：砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等3.无定形无定形半导体材料：分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种4.有机有机半导体材料：萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用。半导体材料半导体材料5深灰色、带蓝色调硅的特性硅的特性总体特性总体特性名称,符号,序号硅、Si、14系列类金属族,周期,元素分区14族(IVA),3,p密度、硬度2330 kg/m3、6.5颜色和外表地壳含量25.7%6原子属性原子属性原子量28.0855 原子量单位价电子排布氖3s23p2电子在每能级的排布2，8，4氧化价（氧化物）4（两性的）
3、晶体结构钻石结构物理属性物理属性物质状态固态熔点1687 K（1414 C）沸点3173 K（2900 C）摩尔体积12.0610-6m3/mol7 发现发现 1787年，拉瓦锡首次发现硅存在于岩石中。1800戴维误认为是化合物。1811年，盖-吕萨克和Thnard可能制备了不纯的无定形硅。1823年，硅首次作为一种元素被贝采利乌斯发现，一年后提炼出纯的无定形硅，随后又对单质硅提纯。名称由来名称由来 英文silicon，来自拉丁文的silicis，意思为燧石(火石)。在中国大陆，该元素原称为矽（x），1953年2月重新命名为硅。在台湾，原称为硅，后改称矽。在香港，两用法皆有，但矽较通用。8分布
4、分布 硅约占地表岩石的四分之一，广泛存在于硅约占地表岩石的四分之一，广泛存在于硅硅酸盐酸盐和和硅石硅石中。中。制备制备 工业上，通常是在电炉中由工业上，通常是在电炉中由碳碳还原还原二氧化硅二氧化硅而制得而制得化学反应方程式：化学反应方程式：SiO2+2C Si+2CO 这样制得的硅纯度为这样制得的硅纯度为9798%，叫做纯，叫做纯硅。融化后硅。融化后重结晶重结晶，用酸除去杂质，得到，用酸除去杂质，得到99.799.8%的纯硅。如做半导体用硅，要的纯硅。如做半导体用硅，要转化成液体或气体形式，再经蒸馏、分解过程得多晶硅。如需得到高纯度硅，则需转化成液体或气体形式，再经蒸馏、分解过程得多晶硅。如需
5、得到高纯度硅，则需进行进一步的提纯处理。进行进一步的提纯处理。9用途用途可用于制作半导体器件和可用于制作半导体器件和集成電路集成電路。还可以。还可以合金合金的形的形式使用式使用(如硅铁合金如硅铁合金)，用于汽车和机械配件。也与陶，用于汽车和机械配件。也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中。还可用于制造玻璃、混瓷材料一起用于金属陶瓷中。还可用于制造玻璃、混凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。凝土、砖、耐火材料、硅氧烷、硅烷。价格价格 Regular grade silicon(99%)costs about$0.50/g.Silicon 99.9%pure costs about$50/lb;hyperp
6、ure silicon may cost as much as$100/oz.10灰白色锗的特性锗的特性总体特性总体特性名称,符号,序号锗、Ge、32系列类金属族,周期,元素分区14族(IVA),4,p密度、硬度5323 kg/m3、6颜色和外表地壳含量610-4%11原子属性原子属性原子量72.64 原子量单位原子半径（计算值）125（125）pm价电子排布氩3d104s24p2电子在每能级的排布2，8，18，4氧化价（氧化物）4（两性的）晶体结构面心立方晶格物理属性物理属性物质状态固态熔点1211.4 K（938 C）沸点3093 K（2820 C）摩尔体积13.6310-6m3/mol1
7、2命名和发现命名和发现 1871年，Mendeleev判断锗作为一种类硅物质存在，1886年，德国化学家克莱门斯温克勒作为元素发现了锗。以德国的拉丁语命名为Germanium。Sources The metal is found in argyrodite（硫银锗矿）,a sulfide of germanium and silver;germanite（亚锗酸盐）,which contains 8 percent of the element;zinc ores（锌矿石）;coal;and other minerals.Germanium can be separated from othe
8、r metals by fractional distillation(分馏）of its volatile tetrachloride（四氯化物）.The techniques permit the production of germanium of ultra-high purity.13Uses and Costs The most use of germanium is as a semiconductor,when it is doped with arsenic,gallium,or other elements.Uses as an alloying agent,as a ph
9、osphor in fluorescent lamps(荧光灯启辉器）,and as a catalyst.Germanium and oxided used in infrared spectroscopes optical equipment,useful as a component of wide-angle camera lenses and microscope objectives.The field of organo-germanium chemistry is becoming increasingly important.The cost of germanium is
10、about$3/g.14对人体的影响对人体的影响 锗对人体的影响主要是可以消除疲劳；防止了贫血；帮助新陈代谢等等。在日本，在珠宝首饰行业被当作健康用具内装在项链，手链里贩卖，价格不菲15Gallium arsenide 一般一般系统名称砷化镓 Gallium arsenide分子式GaAs摩尔质量144.645 g/mol外观灰色立方晶体CAS编号1303-00-0SMILESGa#As物理特性物理特性密度和相5.3176 g/cm,固态水中的溶解度 0.1 g/100 ml(20C)溶点1238C(1511 K)砷化镓的特性砷化镓的特性16Gallium arsenide 砷化镓砷化镓（Ga
11、llium arsenide，GaAs）主要制作微波集成电路、红外线发光二极管、雷射二极管和太阳电池等元件。因GaAs和AlAs的晶格常数几乎一样，在GaAs上轻易地形成异质的结构，砷化铝（AlAs）或砷化铝镓（AlxGa1-xAs）合金几乎可以成长任意的厚度。GaAs应用高效率的太阳电池。1970年时，Zhores Alferov和他的团队在苏联做出第一个GaAs异质结构的太阳电池。用GaAs、Ge和InGaP三种材料做成的三接面太阳电池，有32%以上的效率，且可以操作在2,000 suns下的光。这种太阳电池曾运用在探测火星表面的机器人：精神号漫游者(spirit rover)和机会号漫游
12、者(opportunity rover)。而且很多太阳电池都是用GaAs来做电池阵列的。GaAs的毒性：可以忽略17SiC 碳化硅碳化硅性质性质化学式SiC摩尔质量40.097 g mol-1外观墨绿色无味粉末密度3.22 g/cm3，熔点2730 C18SiC 发现发现碳化硅碳化硅（SiC）为硅与碳键结的陶瓷状化合物，罕见矿物，莫桑石。1893年，爱德华 古德里希 艾其逊制出，并发展了生产碳化硅的艾其逊电弧炉。性质性质 纯碳化硅为无色，工业生产之棕至黑色系由于含铁之不纯物。晶体上彩虹般的光泽则是因为其表面产生之二氧化硅保护层所致。碳化硅70余种结晶型态。最常见-碳化硅、-碳化硅。碳化硅适合轴
13、承或高温炉。在任何已能达到的压力下，它都不会熔化。由于高热导性、高崩溃电场强度及高最大电流密度，在半导体高功率元件上，不少人试着取代硅。19SiC 制造制造 天然含量少，主要为人造。将氧化硅砂与碳置入艾其逊电弧炉中，以1600 C至2500 C高温加热用途用途半导体、避雷针、高温设备、紫外光侦检器、结构材料、天体探测、碟刹、离合器、柴油微粒滤清器、陶瓷薄膜、裁切工具、加热元件、核燃料、珠宝、钢、护具、触媒担体等领域。半导体材料半导体材料半导体概述半导体概述容易导电的物质叫做导体，例如金属；容易导电的物质叫做导体，例如金属；有的物质基本不导电，称为绝缘体，例如陶瓷、橡有的物质基本不导电，称为绝缘
14、体，例如陶瓷、橡皮、塑料、石英等；皮、塑料、石英等；所谓半导体，顾名思义是指其导电性介于导体和绝所谓半导体，顾名思义是指其导电性介于导体和绝缘体之间的物质，例如锗，硅，砷化镓及一些硫化缘体之间的物质，例如锗，硅，砷化镓及一些硫化物、氧化物等。物、氧化物等。金属导体的电导率一般在105s/cm量级；塑料、云母等绝缘体的电导率通常是10-2210-14s/cm量级；半导体的电导率则在10-9102s/cm量级。半导体基础知识半导体基础知识载流子：能够运载电流的电子和空穴载流子：能够运载电流的电子和空穴价电子：现代电子学中，用的最多的半导体是硅和价电子：现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的
15、最外层电子（价电子）都是四个。锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi原子核电子高能级低能级围绕原子核旋转的电子能量不能任意取值，只能取特定的离散值(离散轨道)，这种现象称为电子能量的量子化。电子优先抢占低能级能带能带满带：满带：各个能级都被电子填满的能带禁带：禁带：两个能带之间的区域其宽度直接决定导电性能带的分类空带：空带：所有能级都没有电子填充的能带 价带：价带：由最外层价电子能级分裂后形成的能带 未被电子占满的价带称为导带导带禁带的宽度称为带隙导体、绝缘体和半导体导体：(导)价带电子绝缘体：无价带电子禁带太宽半导体：价带充满电子禁带较窄外界能量激励满带电子激励成为导带电子满带留下
16、空穴半导体基础知识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。，称为本征半导体。自由电子空穴+4+4+4+4束缚电子在绝对在绝对0度和没度和没有外界激发时有外界激发时,价电子完全被共价电子完全被共价键束缚着，本价键束缚着，本征半导体中没有征半导体中没有可以运动的带电可以运动的带电粒 子（即 载 流粒 子（即 载 流子），它的导电子），它的导电能力为能力为0，相当，相当于绝缘体。于绝缘体。随着温度的升高，随着温度的升高，价电子的能量越价电子的能量越来越高，越来越来越高，越来越多的价电子就可多的价电子就可以摆脱共价键的以摆
17、脱共价键的束缚，成为可以束缚，成为可以导电的载流子导电的载流子本征激发。本征激发。本征半导体中电子和空穴的浓度哪个更高？半导体基础知识半导体基础知识本征半导体的导电机理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 半导体的导电机理与金属导体导电机理有本质上的区别：金属导体中只有自由电子一种载流子参与导电；而半导体中则是本征激发下的自由电子和复合运动形成的空穴两种载流子同时参与导电。两种载流子电量相等、符号相反，即自由电子载流
18、子和空穴载流子的运动方向相反。444444444 自由电子载流子运动可以形容为没有座位人的移动；空穴载流子运动则可形容为有座位的人依次向前挪动座位的运动。半导体内部的这两种运动总是共存的，且在一定温度下达到动态平衡。半导体的导电机理半导体基础知识半导体基础知识半导体基础知识半导体基础知识电子电流与空穴电流电子电流与空穴电流 因电场使载流子移动称为漂移，由于浓度差使载流子移动叫做扩散。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。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
19、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，载流子的浓度越高，导电能力越强。本征半导体材料的导电性能受温度影响太大，应用受到很大限制。电子半导体基础知识半导体基础知识掺杂半导体：掺杂半导体：掺入特定杂质单方面增加导电电子或空穴浓度掺入特定杂质单方面增加导电电子或空穴浓度N N型半导体：型半导体：在本征半导体中掺入五价原子，在构成共价键结构时将产生一个自由电子在本征半导体中掺入五价原子，在构成共价键结构时将产生一个自由电子+P(磷)SiSiSiSiSiSiP这种以自由电这种以自由电子导电作为主子导电作为主要导电方式的要导电方式的半导体称为电半导
20、体称为电子型半导体或子型半导体或N N（NegativeNegative）型半导体。型半导体。N型半导体的多数载流子是电子。半导体基础知识半导体基础知识P P型半导体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SiSiSiSiSiSiB这种以空穴导电这种以空穴导电作为主要导电方作为主要导电方式的半导体称为式的半导体称为空穴型半导体或空穴型半导体或P P（PositivePositive）型半导体。型半导体。多数载流子为空多数载流子为空穴。穴。半导体基础知识半导体基础知识掺杂半导体：掺杂半导体：一般
21、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。半导体基础知识半导体基础知识为什么要对半导体采用掺杂工艺？为什么要对半导体采用掺杂工艺？1.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。2.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。3.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
22、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P型和型和N型半导体的对比型半导体的对比半导体基础知识半导体基础知识课堂讨论课堂讨论1)1)空穴到底是什么？空穴到底是什么？2)2)掺杂半导体中，电子空穴还是成对产生的吗？掺杂半导体中，电子空穴还是成对产生的吗？3)3)N N型半导体中的自由电子多于空穴，型半导体中的自由电子多于空穴，P P型半导体中型半导体中的空穴多于自由电子，是否的空穴多于自由电子，是否N N型半导体带负电，型半导体带负电，P P
23、型半导体带正电？型半导体带正电？4)4)P P、N N型半导体中是否存在型半导体中是否存在“净净”电荷或是静电场？电荷或是静电场？PN结结 PNPN结是半导体的基础。结是半导体的基础。在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P P型和型和N N型半导体，经过载型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PNPN结。结。PNPN结不能通过将结不能通过将P P型半导体和型半导体和N N型半导体压在一起而形成。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
24、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PNPN结。结。PNPN结的主要特点：单向导电性。正偏置电阻极低，负偏置电结的主要特点：单向导电性。正偏置电阻极低，负偏置电阻极高。阻极高。PN结结空 穴 扩 散电 子 扩 散内电场PNPN结的形成：结的形成：1 1、P P型和型和N N型半导体相邻；型半导体相邻；2 2、由于两者空穴和电子浓度的差别，电子和空穴在交界处、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；产生扩散运动；3 3、扩散到对方的载流子由于浓度较低，称为少数载流子；、扩散到对方的载流子由于浓度较低，称为少数载
25、流子；PN结结4 4、P P型区由于空穴的扩散，留下带负电的原子，而型区由于空穴的扩散，留下带负电的原子，而N N型区由型区由于电子的扩散，留下带正电的原子；于电子的扩散，留下带正电的原子；5 5、由于带电的原子被束缚在晶格结构中无法移动，因此在、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；载流子已扩散殆尽，因此又称为载流子的耗尽区；6 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、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；部
26、电场；7 7、内部电场的建立和加强，使得漂移的影响越来越大，并、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；将阻碍电子和空穴扩散运动的发展；8 8、最终，内部电场必将与扩散运动平衡，形成稳定的、最终，内部电场必将与扩散运动平衡，形成稳定的PNPN结。结。硅硅PNPN结的接触电势差约为结的接触电势差约为0.7V0.7V；PN结结PN结正偏置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结结空穴扩散为什么不会像零偏压那样形成
27、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
28、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结结PN内电场反向电流内电场被被加强，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结结PN结正向偏置与反向偏置的比较结正向偏置与反向偏置的比较偏置电压偏置电压正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置外部电场与内部电场外部电场与内部电场（耗尽区）的关系（耗尽区）的关系是否形成电流是否形成电流导电载流子的类型导电载流子的类型电流与偏置电
29、压电流与偏置电压的关系的关系消弱增强形成正向电流形成反向电流注入的少数载流子抽取的少数载流子受偏置电压影响大受偏置电压影响小PN结结 PN结的穿通和击穿：反偏压超过一定限度时发生的反向电流急剧上升结的穿通和击穿：反偏压超过一定限度时发生的反向电流急剧上升的现象。的现象。穿通：空间电荷区随着反偏压的升高而展宽到与电极接通时发生的短穿通：空间电荷区随着反偏压的升高而展宽到与电极接通时发生的短路现象。路现象。击穿：空间电荷区的电场随着反偏压的升高而增强到某一临界值时，击穿：空间电荷区的电场随着反偏压的升高而增强到某一临界值时，点阵原子的电离直接成为少数载流子的抽取源而使反向电流急剧升高点阵原子的电离
30、直接成为少数载流子的抽取源而使反向电流急剧升高的现象。的现象。雪崩击穿：高能量载流子在空间电荷区与点阵原子碰撞使之电离，产生新雪崩击穿：高能量载流子在空间电荷区与点阵原子碰撞使之电离，产生新的电子的电子-空穴对，载流子数目急剧增加，反向电流突然增大。空穴对，载流子数目急剧增加，反向电流突然增大。齐纳击穿：重掺杂的齐纳击穿：重掺杂的PN结中，强电场造成能带间距很窄，结中，强电场造成能带间距很窄，P区某些电子直区某些电子直接穿过空间电荷区进入接穿过空间电荷区进入N区，形成反向电流。（隧道效应）区，形成反向电流。（隧道效应）PN结结PN结的伏安特性（单向导电性）结的伏安特性（单向导电性）UI势垒电压
31、 硅PN结约0.7V，锗PN结约0.2V。正向导通压降反向击穿电压PN结结PNPN结的电容结的电容PNPN结附近的耗尽区相当于一个电容器势垒电容。结附近的耗尽区相当于一个电容器势垒电容。正偏压作用下载流子在扩散过程中的积累扩散电容正偏压作用下载流子在扩散过程中的积累扩散电容PNPN结的结电容与结的结电容与PNPN结的偏置电压有关，可以通过偏置电结的偏置电压有关，可以通过偏置电压来调节结电容。压来调节结电容。PNPN结的热效应结的热效应本征激发是本征激发是PNPN结受温度影响重要起因。结受温度影响重要起因。PNPN结存在工作温度的上限。结存在工作温度的上限。在不同的温度下，在不同的温度下，PNPN结会表现出不同的特性，因此温度结会表现出不同的特性，因此温度特性是所有电力电子器件一个重要的方面。特性是所有电力电子器件一个重要的方面。
