單元1半導(dǎo)體基礎(chǔ)

單元1半導(dǎo)體器件的理論基礎(chǔ)1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)1.2PN結(jié)原理1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)

(1)室溫電阻率約在10-3～106Ωcm，介于金屬和絕緣體之間。良好的金屬導(dǎo)體:10-6Ω典型絕緣體:1012Ωcm一、半導(dǎo)體的基本特性(2)具有負(fù)的溫度系數(shù)，即電阻一般隨溫度上升而下降；金屬的電阻隨溫度上升而上升。(3)具有較高的溫差電動(dòng)勢(shì)率，而且溫差電動(dòng)勢(shì)可為正或?yàn)樨?fù)；金屬的溫差電動(dòng)勢(shì)率總是負(fù)的。(4)與適當(dāng)金屬接觸或做成P-N結(jié)后，電流與電壓呈非線性關(guān)系，具有整流效應(yīng)。(5)具有光敏性，用適當(dāng)?shù)墓庹蘸蟛牧虾箅娮杪蕰?huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生光電導(dǎo)；(6)半導(dǎo)體中存在電子和空穴兩種載流子。(7)雜質(zhì)的存在對(duì)電阻率產(chǎn)生很大的影響。上述這些特性使半導(dǎo)體有別與金屬和絕緣體而自歸一類,需要指出的是,半導(dǎo)體與金屬和絕緣體之間并不存在嚴(yán)格界限。常見的半導(dǎo)體材料元素半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體硅（Si）鍺（Ge）Ⅲ族元素[如鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(在)]和Ⅴ族元素[如磷(P)、砷(同樣地)、銻(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族化合物都是半導(dǎo)體材料二、半導(dǎo)體與金屬中的載流子電導(dǎo)率：金屬中的載流子濃度與原子密度同數(shù)量級(jí)，且不隨溫度變化而明顯變化，其典型值為1022～1023cm-3μ—遷移率（載流子在單位電場(chǎng)中的漂移速度）金屬中的載流子只有電子（價(jià)電子）半導(dǎo)體中的載流子有電子和空穴電導(dǎo)率：n、p是電子和空穴的濃度μn、μp為電子和空穴的遷移率本征半導(dǎo)體：完全潔凈的、原子周期性排列電導(dǎo)率：本征載流子濃度：在室溫（T=300K）下：

ni（Ge）≌2.4×1013cm-3ni（Si）≌1.5×1010cm-3ni（GaAs）≌1.6×106cm-3本征載流子濃度和樣品溫度的關(guān)系雜質(zhì)半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體內(nèi)摻入微量的雜質(zhì)，使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力顯著變化，這種半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體中雜質(zhì)：施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)多數(shù)載流子：P型半導(dǎo)體中的空穴、N型半導(dǎo)體中的電子稱為多數(shù)載流子少數(shù)載流子：P型半導(dǎo)體中的電子、N型半導(dǎo)體中的空穴稱為多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體：主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體（摻入三價(jià)元素）N型半導(dǎo)體：主要依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體（摻入五價(jià)元素）雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子來源于：本征激發(fā)和雜質(zhì)電離n型Si中電子濃度n與溫度T的關(guān)系：雜質(zhì)離化區(qū)飽和區(qū)本征激發(fā)區(qū)半導(dǎo)體導(dǎo)電具有熱敏性，因此器件都有一定的工作溫度結(jié)論：1.2PN結(jié)1.PN結(jié)的形成2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的穿通4.PN結(jié)的反向擊穿5.PN結(jié)的電容效應(yīng)6.PN結(jié)的動(dòng)態(tài)特性????????????

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?1.PN結(jié)的形成PN結(jié)是指P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合部空間電荷層P型N型合金法——形成突變結(jié)，雜質(zhì)濃度、摻雜厚度不易控制，早期電力半導(dǎo)體器件采用擴(kuò)散工藝——形成緩變結(jié)，大功率電子器件采用離子注入——最高注入深度只有20um，只在電力半導(dǎo)體器件制造業(yè)中小范圍使用外延生長(zhǎng)——容易獲得理想的突變結(jié)，但生長(zhǎng)層越厚，晶體結(jié)構(gòu)的完美性越不易保證，對(duì)襯底表面要求較高，因而在電力器件，特別是高耐壓的器件制造工藝中較少采用，但在功率集成電路和一些新型的電力器件制造工藝中則被普遍采用，如快恢復(fù)二極管。形成PN結(jié)的工藝技術(shù)2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的電流電壓關(guān)系：

I=IS[exp(qV/kT)-1]IS—是反向飽和電流V—外加電壓3.PN結(jié)的穿通——是指空間電荷區(qū)隨反向電壓的升高而展寬到與電極接通而發(fā)生的短路現(xiàn)象。需要承受很高的反向電壓而正向?qū)〞r(shí)的電流容量又要很大的PN結(jié)比較容易碰到穿通問題空間電荷區(qū)P+nPN結(jié)的穿通4.PN結(jié)的反向擊穿PN結(jié)反向電壓增加過大，達(dá)到反向擊穿電壓VBR時(shí)，反向電流將會(huì)急劇增加，破壞了PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為反向擊穿。雪崩擊穿齊納擊穿熱擊穿PN結(jié)的反向擊穿型式：雪崩擊穿雪崩擊穿是電力半導(dǎo)體器件中最常見的擊穿現(xiàn)象。為同時(shí)滿足正反兩種偏置狀態(tài)要求（正向?qū)娏魅萘看?、反向耐壓高），功率器件的PN結(jié)通常為單邊突變結(jié)。

擊穿機(jī)理：反向電壓VR↑—>空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度↑—>載流子漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能↑—>與晶體原子發(fā)生碰撞使之電離—>空間電荷層載流子濃度↑（數(shù)目倍增）—>反向電流IR↑—>單向?qū)щ娦栽獾狡茐模〒舸┭┍罁舸┩ǔ０l(fā)生在空間電荷區(qū)較寬的輕摻雜一側(cè)，對(duì)于單邊突變結(jié)，雪崩擊穿電壓UB隨著輕摻雜區(qū)的雜質(zhì)濃度的升高而下降。如硅P+N結(jié)的雪崩擊穿電壓：

UB=1.69×1018N-3/4特點(diǎn)：當(dāng)N從1019升高到5×1020m-3，UB從大約9500V下降到500V左右。

2、齊納擊穿（隧道擊穿）擊穿機(jī)理：反向電壓VR↑—>能帶彎曲量↑—>P區(qū)與N區(qū)之間能帶間距↓—>隧道電流↑—>反向電流IR↑—>單向?qū)щ娦栽獾狡茐模〒舸┨攸c(diǎn)：齊納擊穿在重?fù)诫sPN結(jié)中才會(huì)發(fā)生。主要取決于空間電荷區(qū)內(nèi)的最大電場(chǎng)（一般約為2×105V/cm）

摻雜濃度越高，齊納擊穿電壓越低。雪崩擊穿和隧道擊穿的主要區(qū)別隧道擊穿主要取決于空間電荷區(qū)中的最大電場(chǎng)；雪崩擊穿除了與電場(chǎng)有關(guān)外,還與空間電荷區(qū)寬度有關(guān)。雪崩擊穿是碰撞電離的結(jié)果，如果用光照等其他辦法，同樣會(huì)有倍增效應(yīng)；而上述外界作用對(duì)隧道擊穿則不會(huì)有明顯的影響。隧道擊穿電壓隨著溫度的增加而降低，溫度系數(shù)為負(fù)數(shù)；而雪崩擊穿電壓隨著溫度的增加而增加，溫度系數(shù)為正數(shù)。3、熱擊穿PN結(jié)中電流：T↑→Js↑→損耗↑→Tj↑→擊穿5、PN結(jié)的熱效應(yīng)理想PN結(jié)的電流電壓方程：二極管的電流在一定電壓下將是溫度的函數(shù)。TemperatureEffectsDiodecurrentwillincreaseasaspecificvoltageforbothbiaspolarities通態(tài)壓降UF是溫度的函數(shù)。在電流密度較小時(shí)，其溫度系數(shù)是負(fù)數(shù)。電流密度較大時(shí)，其溫度系數(shù)為正。

PN結(jié)的反向電流會(huì)隨著結(jié)溫的上升而增大。溫度升高還會(huì)使得PN結(jié)的雪崩擊穿電壓UB提高。為避免這些熱效應(yīng)嚴(yán)重影響結(jié)型器件的穩(wěn)定性，必須采用有效的散熱措施，因而電力電子裝置中的功率器件大多安裝在帶特制散熱器的基座上。6、PN結(jié)的電容效應(yīng)

PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別可分為勢(shì)壘電容CT和擴(kuò)散電容CD。1、勢(shì)壘電容（CT）：PN結(jié)外加電壓變化—>空間電荷層寬度變化—>PN結(jié)空間電荷層電荷量變化—>電容效應(yīng)勢(shì)壘電容在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容的作用越顯著。勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層的厚度成反比2、擴(kuò)散電容CD：PN結(jié)耗盡層外擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)存儲(chǔ)的電荷數(shù)，隨外加電壓變化，正向電流越大，存儲(chǔ)的電荷越多。亦表現(xiàn)出電容效應(yīng)。稱為擴(kuò)散電容3、CT、CD隨電壓在CJ中所占的比例：正向偏置條件下，當(dāng)正電壓較低時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)較弱，勢(shì)壘電容占主要成份；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，使擴(kuò)散電容按指數(shù)規(guī)律上升，成為PN結(jié)的主要成份。反向偏置狀態(tài)下，因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被抑制，因而表現(xiàn)出較小的擴(kuò)散電容，因此PN結(jié)電容以勢(shì)壘電容為主。CVCDCTCT、CD隨外加電壓變化的關(guān)系圖

P區(qū)向N區(qū)注入空穴，在N區(qū)形成少數(shù)載流子積累，與N區(qū)的電子復(fù)合而形成少子濃度梯度，隨著正向電流的上升，少數(shù)載流子的積累增多，少子濃度梯度變緩。少子空穴濃度分布在大部分高阻N區(qū)。因?yàn)樽⑷氲纳僮訚舛冗h(yuǎn)高于N區(qū)的平衡少子濃度，因而使得N區(qū)的電阻率下降，電導(dǎo)增加。1、PN結(jié)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)（以P+N為例）7、PN結(jié)的動(dòng)態(tài)特性NP+px△p正偏P+N結(jié)的N區(qū)少子電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的載流子分布示意圖利用二極管正、反向電流相差懸殊這一特性，可以把二極管作開關(guān)使用。當(dāng)開關(guān)K打向A時(shí)，二極管處于正向，電流很大，相當(dāng)于接有負(fù)載的外回路與電源相連的開關(guān)閉合，回路處于接通狀態(tài)（開態(tài)）；若把K打向B，二極管處于反向，反向電流很小，相當(dāng)于外回路的開關(guān)斷開，回路處于斷開狀態(tài)（關(guān)態(tài)）。

在開態(tài)時(shí)，流過負(fù)載的穩(wěn)態(tài)電流為I1

V1為外加電源電壓，VJ為二極管的正向壓降，對(duì)硅管VJ約為0.7V，鍺管VJ約為0.3V，RL為負(fù)載電阻。通常VJ遠(yuǎn)小于V1，所以上式可近似寫為在關(guān)態(tài)時(shí)，流過負(fù)載的電流就是二極管的反向電流IR。把二極管作為開關(guān)使用時(shí)，若回路處于開態(tài)，在“開關(guān)”（即二極管）上有微小壓降；當(dāng)回路處于關(guān)態(tài)時(shí)，在回路中有微小電流，這與一般的機(jī)械開關(guān)有所不同。說明LP貯存電荷Q載流子濃度x電荷的貯存效應(yīng)PN結(jié)由正偏突然轉(zhuǎn)為反偏時(shí)，在N區(qū)正向偏壓下積累的非平衡載流子空穴將會(huì)首先被空間電荷區(qū)中的強(qiáng)電場(chǎng)抽回P區(qū)，形成很大的反向電流IR，直至額外空穴抽到一定程度其值才開始下降，又經(jīng)過一段時(shí)間才達(dá)到反向飽和電流值是P+N2、關(guān)斷過程存儲(chǔ)時(shí)間ts：反向電流基本不變下降時(shí)間tf：電流由IR降至0.1IR所經(jīng)歷的時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間：toff=ts+tf注意：在存儲(chǔ)時(shí)間以內(nèi)，結(jié)電壓仍為正值設(shè)由P+區(qū)通過空間電荷區(qū)注入N區(qū)的空穴數(shù)目在時(shí)刻t為NP（t），單位時(shí)間內(nèi)因復(fù)合而在N區(qū)消失的空穴數(shù)在時(shí)刻t時(shí)為NP（t）/τp，而單位時(shí)間內(nèi)積累在N區(qū)中的空穴數(shù)目在時(shí)刻t時(shí)則可用NP（t）隨時(shí)間改變的微分速率dNP（t）/dt來表示。正向電流瞬態(tài)值：若穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，正向電流為IF，N區(qū)正電荷總量為QP則：存儲(chǔ)時(shí)間ts主要有兩個(gè)因素決定一是存儲(chǔ)區(qū)少數(shù)載流子壽命。二是正向注入電流和反向抽取電流的相對(duì)大小。提高PN結(jié)開關(guān)速度的途徑：一、從電流角度考慮，可以減小正向注入電流和增大抽取電流（即初始反向電流）IR。二、從結(jié)構(gòu)角度考慮，就是降低少數(shù)載流子的壽命。器件制造工藝中常摻入某些特殊雜質(zhì)（如金、鉑、銅、鎳等）的方法來縮短少子壽命，這是提高開關(guān)速度最主要的方法。摻金二極管的反向恢復(fù)時(shí)間是未摻金的幾十分之一。1.為什么電子遷移率高于空穴遷移率?2.為什么鍺((Ge)管收音機(jī)在環(huán)境溫度稍高時(shí)不能正常工作？3.硅pn結(jié)接觸電勢(shì)差為0.7V，