单元1半导体基础

单元1半导体器件的理论基础1.1半导体基础1.2PN结原理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:10-6Ω典型绝缘体:1012Ωcm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二、半导体与金属中的载流子电导率：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-3μ—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-3ni（Si）≌1.5×1010cm-3ni（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：施主杂质和受主杂质多数载流子：P型半导体中的空穴、N型半导体中的电子称为多数载流子少数载流子：P型半导体中的电子、N型半导体中的空穴称为多数载流子P型半导体：主要依靠空穴导电的半导体（掺入三价元素）N型半导体：主要依靠电子导电的半导体（掺入五价元素）杂质半导体中的载流子来源于：本征激发和杂质电离n型Si中电子浓度n与温度T的关系：杂质离化区饱和区本征激发区半导体导电具有热敏性，因此器件都有一定的工作温度结论：1.2PN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••••••••••••

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￮1.PN结的形成PN结是指P型半导体和N型半导体的结合部空间电荷层P型N型合金法——形成突变结，杂质浓度、掺杂厚度不易控制，早期电力半导体器件采用扩散工艺——形成缓变结，大功率电子器件采用离子注入——最高注入深度只有20um，只在电力半导体器件制造业中小范围使用外延生长——容易获得理想的突变结，但生长层越厚，晶体结构的完美性越不易保证，对衬底表面要求较高，因而在电力器件，特别是高耐压的器件制造工艺中较少采用，但在功率集成电路和一些新型的电力器件制造工艺中则被普遍采用，如快恢复二极管。形成PN结的工艺技术2.PN结的单向导电性PN结的电流电压关系：

I=IS[exp(qV/kT)-1]IS—是反向饱和电流V—外加电压3.PN结的穿通——是指空间电荷区随反向电压的升高而展宽到与电极接通而发生的短路现象。需要承受很高的反向电压而正向导通时的电流容量又要很大的PN结比较容易碰到穿通问题空间电荷区P+nPN结的穿通4.PN结的反向击穿PN结反向电压增加过大，达到反向击穿电压VBR时，反向电流将会急剧增加，破坏了PN结反向偏置为截止的工作状态，这种状态称为反向击穿。雪崩击穿齐纳击穿热击穿PN结的反向击穿型式：雪崩击穿雪崩击穿是电力半导体器件中最常见的击穿现象。为同时满足正反两种偏置状态要求（正向导通电流容量大、反向耐压高），功率器件的PN结通常为单边突变结。

击穿机理：反向电压VR↑—>空间电荷区内电场强度↑—>载流子漂移运动的动能↑—>与晶体原子发生碰撞使之电离—>空间电荷层载流子浓度↑（数目倍增）—>反向电流IR↑—>单向导电性遭到破坏（击穿）雪崩击穿通常发生在空间电荷区较宽的轻掺杂一侧，对于单边突变结，雪崩击穿电压UB随着轻掺杂区的杂质浓度的升高而下降。如硅P+N结的雪崩击穿电压：

UB=1.69×1018N-3/4特点：当N从1019升高到5×1020m-3，UB从大约9500V下降到500V左右。

2、齐纳击穿（隧道击穿）击穿机理：反向电压VR↑—>能带弯曲量↑—>P区与N区之间能带间距↓—>隧道电流↑—>反向电流IR↑—>单向导电性遭到破坏（击穿）特点：齐纳击穿在重掺杂PN结中才会发生。主要取决于空间电荷区内的最大电场（一般约为2×105V/cm）

掺杂浓度越高，齐纳击穿电压越低。雪崩击穿和隧道击穿的主要区别隧道击穿主要取决于空间电荷区中的最大电场；雪崩击穿除了与电场有关外,还与空间电荷区宽度有关。雪崩击穿是碰撞电离的结果，如果用光照等其他办法，同样会有倍增效应；而上述外界作用对隧道击穿则不会有明显的影响。隧道击穿电压随着温度的增加而降低，温度系数为负数；而雪崩击穿电压随着温度的增加而增加，温度系数为正数。3、热击穿PN结中电流：T↑→Js↑→损耗↑→Tj↑→击穿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。TemperatureEffectsDiodecurrentwillincreaseasaspecificvoltageforbothbiaspolarities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。CVCDCTCT、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）7、PN结的动态特性NP+px△p正偏P+N结的N区少子电导调制效应的载流子分布示意图利用二极管正、反向电流相差悬殊这一特性，可以把二极管作开关使用。当开关K打向A时，二极管处于正向，电流很大，相当于接有负载的外回路与电源相连的开关闭合，回路处于接通状态（开态）；若把K打向B，二极管处于反向，反向电流很小，相当于外回路的开关断开，回路处于断开状态（关态）。

在开态时，流过负载的稳态电流为I1

V1为外加电源电压，VJ为二极管的正向压降，对硅管VJ约为0.7V，锗管VJ约为0.3V，RL为负载电阻。通常VJ远小于V1，所以上式可近似写为在关态时，流过负载的电流就是二极管的反向电流IR。把二极管作为开关使用时，若回路处于开态，在“开关”（即二极管）上有微小压降；当回路处于关态时，在回路中有微小电流，这与一般的机械开关有所不同。说明LP贮存电荷Q载流子浓度x电荷的贮存效应PN结由正偏突然转为反偏时，在N区正向偏压下积累的非平衡载流子空穴将会首先被空间电荷区中的强电场抽回P区，形成很大的反向电流IR，直至额外空穴抽到一定程度其值才开始下降，又经过一段时间才达到反向饱和电流值是P+N2、关断过程存储时间ts：反向电流基本不变下降时间tf：电流由IR降至0.1IR所经历的时间反向恢复时间：toff=ts+tf注意：在存储时间以内，结电压仍为正值设由P+区通过空间电荷区注入N区的空穴数目在时刻t为NP（t），单位时间内因复合而在N区消失的空穴数在时刻t时为NP（t）/τp，而单位时间内积累在N区中的空穴数目在时刻t时则可用NP（t）随时间改变的微分速率dNP（t）/dt来表示。正向电流瞬态值：若稳定状态时，正向电流为IF，N区正电荷总量为QP则：存储时间ts主要有两个因素决定一是存储区少数载流子寿命。二是正向注入电流和反向抽取电流的相对大小。提高PN结开关速度的途径：一、从电流角度考虑，可以减小正向注入电流和增大抽取电流（即初始反向电流）IR。二、从结构角度考虑，就是降低少数载流子的寿命。器件制造工艺中常掺入某些特殊杂质（如金、铂、铜、镍等）的方法来缩短少子寿命，这是提高开关速度最主要的方法。掺金二极管的反向恢复时间是未掺金的几十分之一。1.为什么电子迁移率高于空穴迁移率?2.为什么锗((Ge)管收音机在环境温度稍高时不能正常工作？3.硅pn结接触电势差为0.7V，