電力電子應(yīng)用技術(shù)第二講半導(dǎo)體基礎(chǔ)

電力電子應(yīng)用技術(shù)第二講半導(dǎo)體基礎(chǔ)第1頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容大綱半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識PN結(jié)第2頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月3什么是半導(dǎo)體材料？

半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料是指室溫下導(dǎo)電性介于導(dǎo)電材料和絕緣材料之間的一類功能材料；靠電子和空穴兩種載流子實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電；室溫時電阻率一般在10-5～107歐·米之間。通常電阻率隨溫度升高而增大；若摻入活性雜質(zhì)或用光、射線輻照，可使其電阻率有幾個數(shù)量級的變化。

半導(dǎo)體材料是半導(dǎo)體工業(yè)的基礎(chǔ)，它的發(fā)展對半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展有極大的影響。

第3頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月4按化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：1.元素半導(dǎo)體：硅、鍺、硒、硼、碲、銻等2.化合物半導(dǎo)體：砷化鎵、磷化錮、銻化錮、碳化硅、硫化鎘及鎵砷硅等3.無定形半導(dǎo)體材料：分為氧化物玻璃和非氧化物玻璃兩種4.有機(jī)半導(dǎo)體材料：萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到應(yīng)用。半導(dǎo)體材料第4頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月5深灰色、帶藍(lán)色調(diào)硅的特性總體特性名稱,符號,序號硅、Si、14系列類金屬族,周期,元素分區(qū)14族(IVA),3,p密度、硬度2330kg/m3、6.5顏色和外表地殼含量25.7%第5頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月6原子屬性原子量28.0855原子量單位價電子排布[氖]3s23p2電子在每能級的排布2，8，4氧化價（氧化物）4（兩性的）晶體結(jié)構(gòu)鉆石結(jié)構(gòu)物理屬性物質(zhì)狀態(tài)固態(tài)熔點(diǎn)1687K（1414°C）沸點(diǎn)3173K（2900°C）摩爾體積12.06×10-6m3/mol第6頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月7

發(fā)現(xiàn)

1787年，拉瓦錫首次發(fā)現(xiàn)硅存在于巖石中。1800’戴維誤認(rèn)為是化合物。1811年，蓋-呂薩克和Thénard可能制備了不純的無定形硅。1823年，硅首次作為一種元素被貝采利烏斯發(fā)現(xiàn)，一年后提煉出純的無定形硅，隨后又對單質(zhì)硅提純。名稱由來

英文silicon，來自拉丁文的silicis，意思為燧石(火石)。在中國大陸，該元素原稱為矽（xī）

，1953年2月重新命名為硅。在臺灣，原稱為硅，后改稱矽。在香港，兩用法皆有，但矽較通用。第7頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月8分布硅約占地表巖石的四分之一，廣泛存在于硅酸鹽和硅石中。制備

工業(yè)上，通常是在電爐中由碳還原二氧化硅而制得化學(xué)反應(yīng)方程式：SiO2+2C→Si+2CO這樣制得的硅純度為97~98%，叫做純硅。融化后重結(jié)晶，用酸除去雜質(zhì)，得到99.7~99.8%的純硅。如做半導(dǎo)體用硅，要轉(zhuǎn)化成液體或氣體形式，再經(jīng)蒸餾、分解過程得多晶硅。如需得到高純度硅，則需進(jìn)行進(jìn)一步的提純處理。第8頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月9用途可用于制作半導(dǎo)體器件和集成電路。還可以合金的形式使用(如硅鐵合金)，用于汽車和機(jī)械配件。也與陶瓷材料一起用于金屬陶瓷中。還可用于制造玻璃、混凝土、磚、耐火材料、硅氧烷、硅烷。價格

Regulargradesilicon(99%)costsabout$0.50/g.Silicon99.9%purecostsabout$50/lb;hyperpuresiliconmaycostasmuchas$100/oz.第9頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月10灰白色鍺的特性總體特性名稱,符號,序號鍺、Ge、32系列類金屬族,周期,元素分區(qū)14族(IVA),4,p密度、硬度5323kg/m3、6顏色和外表地殼含量6×10-4%第10頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月11原子屬性原子量72.64原子量單位原子半徑（計(jì)算值）125（125）pm價電子排布[氬]3d104s24p2電子在每能級的排布2，8，18，4氧化價（氧化物）4（兩性的）晶體結(jié)構(gòu)面心立方晶格物理屬性物質(zhì)狀態(tài)固態(tài)熔點(diǎn)1211.4K（938°C）沸點(diǎn)3093K（2820°C）摩爾體積13.63×10-6m3/mol第11頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月12命名和發(fā)現(xiàn)

1871年，Mendeleev判斷鍺作為一種類硅物質(zhì)存在，1886年，德國化學(xué)家克萊門斯·溫克勒作為元素發(fā)現(xiàn)了鍺。以德國的拉丁語命名為Germanium。SourcesThemetalisfoundinargyrodite（硫銀鍺礦）,asulfideofgermaniumandsilver;germanite（亞鍺酸鹽）,whichcontains8percentoftheelement;zincores（鋅礦石）;coal;andotherminerals.Germaniumcanbeseparatedfromothermetalsbyfractionaldistillation(分餾）ofitsvolatiletetrachloride（四氯化物）.Thetechniquespermittheproductionofgermaniumofultra-highpurity.第12頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月13UsesandCosts

Themostuseofgermaniumisasasemiconductor,whenitisdopedwitharsenic,gallium,orotherelements.Usesasanalloyingagent,asaphosphorinfluorescentlamps(熒光燈啟輝器）,andasacatalyst.Germaniumandoxidedusedininfraredspectroscopesopticalequipment,usefulasacomponentofwide-anglecameralensesandmicroscopeobjectives.Thefieldoforgano-germaniumchemistryisbecomingincreasinglyimportant.Thecostofgermaniumisabout$3/g.第13頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月14對人體的影響

鍺對人體的影響主要是可以消除疲勞；防止了貧血；幫助新陳代謝等等。在日本，在珠寶首飾行業(yè)被當(dāng)作健康用具內(nèi)裝在項(xiàng)鏈，手鏈里販賣，價格不菲第14頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月15Galliumarsenide

一般系統(tǒng)名稱砷化鎵Galliumarsenide分子式GaAs摩爾質(zhì)量144.645g/mol外觀灰色立方晶體CAS編號[1303-00-0]SMILESGa#As物理特性密度和相5.3176g/cm3,固態(tài)水中的溶解度<0.1g/100ml(20°C)溶點(diǎn)1238°C(1511K)砷化鎵的特性第15頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月16Galliumarsenide

砷化鎵（Galliumarsenide，GaAs）主要制作微波集成電路、紅外線發(fā)光二極管、雷射二極管和太陽電池等元件。

因GaAs和AlAs的晶格常數(shù)幾乎一樣，在GaAs上輕易地形成異質(zhì)的結(jié)構(gòu)，砷化鋁（AlAs）或砷化鋁鎵（AlxGa1-xAs）合金幾乎可以成長任意的厚度。

GaAs應(yīng)用高效率的太陽電池。1970年時，ZhoresAlferov和他的團(tuán)隊(duì)在蘇聯(lián)做出第一個GaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)的太陽電池。用GaAs、Ge和InGaP三種材料做成的三接面太陽電池，有32%以上的效率，且可以操作在2,000suns下的光。這種太陽電池曾運(yùn)用在探測火星表面的機(jī)器人：精神號漫游者(spiritrover)和機(jī)會號漫游者(opportunityrover)。而且很多太陽電池都是用GaAs來做電池陣列的。

GaAs的毒性：可以忽略第16頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月17SiC

碳化硅性質(zhì)化學(xué)式SiC摩爾質(zhì)量40.097gmol-1外觀墨綠色無味粉末密度3.22g/cm3，熔點(diǎn)2730°C第17頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月18SiC

發(fā)現(xiàn)碳化硅（SiC）為硅與碳鍵結(jié)的陶瓷狀化合物，罕見礦物，莫桑石。1893年，愛德華?古德里希?艾其遜制出，并發(fā)展了生產(chǎn)碳化硅的艾其遜電弧爐。性質(zhì)純碳化硅為無色，工業(yè)生產(chǎn)之棕至黑色系由于含鐵之不純物。晶體上彩虹般的光澤則是因?yàn)槠浔砻娈a(chǎn)生之二氧化硅保護(hù)層所致。碳化硅70余種結(jié)晶型態(tài)。最常見α-碳化硅、β-碳化硅。碳化硅適合軸承或高溫爐。在任何已能達(dá)到的壓力下，它都不會熔化。由于高熱導(dǎo)性、高崩潰電場強(qiáng)度及高最大電流密度，在半導(dǎo)體高功率元件上，不少人試著取代硅。第18頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月19SiC

制造

天然含量少，主要為人造。將氧化硅砂與碳置入艾其遜電弧爐中，以1600°C至2500°C高溫加熱用途半導(dǎo)體、避雷針、高溫設(shè)備、紫外光偵檢器、結(jié)構(gòu)材料、天體探測、碟剎、離合器、柴油微粒濾清器、陶瓷薄膜、裁切工具、加熱元件、核燃料、珠寶、鋼、護(hù)具、觸媒擔(dān)體等領(lǐng)域。半導(dǎo)體材料第19頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體概述容易導(dǎo)電的物質(zhì)叫做導(dǎo)體，例如金屬；有的物質(zhì)基本不導(dǎo)電，稱為絕緣體，例如陶瓷、橡皮、塑料、石英等；所謂半導(dǎo)體，顧名思義是指其導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，例如鍺，硅，砷化鎵及一些硫化物、氧化物等。金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率一般在105s/cm量級；塑料、云母等絕緣體的電導(dǎo)率通常是10-22~10-14s/cm量級；半導(dǎo)體的電導(dǎo)率則在10-9~102s/cm量級。第20頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識載流子：能夠運(yùn)載電流的電子和空穴價電子：現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。GeSi第21頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月原子核電子高能級低能級圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子能量不能任意取值，只能取特定的離散值(離散軌道)，這種現(xiàn)象稱為電子能量的量子化。電子優(yōu)先搶占低能級能帶第22頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月滿帶：各個能級都被電子填滿的能帶禁帶：兩個能帶之間的區(qū)域——其寬度直接決定導(dǎo)電性能帶的分類空帶：所有能級都沒有電子填充的能帶價帶：由最外層價電子能級分裂后形成的能帶

未被電子占滿的價帶稱為導(dǎo)帶禁帶的寬度稱為帶隙第23頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體：(導(dǎo))價帶電子絕緣體：無價帶電子禁帶太寬半導(dǎo)體：價帶充滿電子禁帶較窄外界能量激勵滿帶電子激勵成為導(dǎo)帶電子滿帶留下空穴第24頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體。自由電子空穴+4+4+4+4束縛電子在絕對0度和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。隨著溫度的升高，價電子的能量越來越高，越來越多的價電子就可以擺脫共價鍵的束縛，成為可以導(dǎo)電的載流子－本征激發(fā)。本征半導(dǎo)體中電子和空穴的濃度哪個更高？第25頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4空穴的存在將吸引臨近的價電子來填補(bǔ)，這個過程稱為復(fù)合價電子的移動也可以理解為空穴反方向在遷移空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此空穴也可以認(rèn)為是載流子空穴和電子數(shù)目相等、移動方向相反第26頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理與金屬導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)理有本質(zhì)上的區(qū)別：金屬導(dǎo)體中只有自由電子一種載流子參與導(dǎo)電；而半導(dǎo)體中則是本征激發(fā)下的自由電子和復(fù)合運(yùn)動形成的空穴兩種載流子同時參與導(dǎo)電。兩種載流子電量相等、符號相反，即自由電子載流子和空穴載流子的運(yùn)動方向相反。＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4

自由電子載流子運(yùn)動可以形容為沒有座位人的移動；空穴載流子運(yùn)動則可形容為有座位的人依次向前挪動座位的運(yùn)動。半導(dǎo)體內(nèi)部的這兩種運(yùn)動總是共存的，且在一定溫度下達(dá)到動態(tài)平衡。半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識第27頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識電子電流與空穴電流因電場使載流子移動稱為漂移，由于濃度差使載流子移動叫做擴(kuò)散。在沒有外部電場作用下，空穴電子對不斷產(chǎn)生又不斷復(fù)合，處于無規(guī)律的狀態(tài)。在外電場的作用下，電子產(chǎn)生有規(guī)律的定向運(yùn)動，從一個原子到另一個原子。在電子定向運(yùn)動的同時，空穴則按與價電子運(yùn)動的方向相反，因此空穴運(yùn)動相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動，稱為空穴電流?？昭?？本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性？本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性主要取決于溫度：溫度越高，載流子的濃度越高，導(dǎo)電能力越強(qiáng)。本征半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性能受溫度影響太大，應(yīng)用受到很大限制。第28頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月電子半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識摻雜半導(dǎo)體：摻入特定雜質(zhì)單方面增加導(dǎo)電電子或空穴濃度N型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入五價原子，在構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)時將產(chǎn)生一個自由電子+P(磷)SiSiSiSiSiSiP這種以自由電子導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體或N（Negative）型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是電子。第29頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價原子，在構(gòu)成共價鍵結(jié)構(gòu)時將產(chǎn)生一個空穴B(硼)+空穴SiSiSiSiSiSiB這種以空穴導(dǎo)電作為主要導(dǎo)電方式的半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體或P（Positive）型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子為空穴。第30頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識摻雜半導(dǎo)體：

一般情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的數(shù)量可達(dá)到少數(shù)載流子數(shù)量的1010倍或更多，因此，雜質(zhì)半導(dǎo)體比本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力可增強(qiáng)幾十萬倍。

在室溫情況下，本征硅中的磷雜質(zhì)等于10-6數(shù)量級時，電子載流子的數(shù)目將增加幾十萬倍。第31頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識為什么要對半導(dǎo)體采用摻雜工藝？摻雜半導(dǎo)體的載流子濃度主要取決于摻雜類型和比例，與本征激發(fā)載流子相比，受溫度的影響相對小得多，因此工作溫度范圍寬、性能穩(wěn)定。隨著溫度的升高，半導(dǎo)體材料的本征激發(fā)越來越強(qiáng)，本征激發(fā)載流子的濃度也越來越高。當(dāng)本征激發(fā)載流子濃度與摻雜載流子濃度達(dá)到可比擬的程度時，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？ －－半導(dǎo)體材料和器件將失效

－－溫度是影響電力電子器件性能的一個十分重要的環(huán)境因素PN摻雜材料空穴和電子濃度多數(shù)載流子類型3價元素5價元素空穴濃度高電子濃度高空穴電子P型和N型半導(dǎo)體的對比第32頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識課堂討論空穴到底是什么？摻雜半導(dǎo)體中，電子空穴還是成對產(chǎn)生的嗎？N型半導(dǎo)體中的自由電子多于空穴，P型半導(dǎo)體中的空穴多于自由電子，是否N型半導(dǎo)體帶負(fù)電，P型半導(dǎo)體帶正電？P、N型半導(dǎo)體中是否存在“凈”電荷或是靜電場？第33頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)PN結(jié)是半導(dǎo)體的基礎(chǔ)。在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。PN結(jié)不能通過將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體壓在一起而形成。一般通過異型摻雜局部改變材料導(dǎo)電類型的方法，或通過晶體的外延生長新生一層導(dǎo)電類型相反的材料層的方法形成PN結(jié)。PN結(jié)的主要特點(diǎn)：單向?qū)щ娦?。正偏置電阻極低，負(fù)偏置電阻極高。第34頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)PN結(jié)的形成：1、P型和N型半導(dǎo)體相鄰；2、由于兩者空穴和電子濃度的差別，電子和空穴在交界處產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動；3、擴(kuò)散到對方的載流子由于濃度較低，稱為少數(shù)載流子；第35頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)4、P型區(qū)由于空穴的擴(kuò)散，留下帶負(fù)電的原子，而N型區(qū)由于電子的擴(kuò)散，留下帶正電的原子；5、由于帶電的原子被束縛在晶格結(jié)構(gòu)中無法移動，因此在交界面附近將形成一個空間電荷區(qū)，由于該空間電荷區(qū)的載流子已擴(kuò)散殆盡，因此又稱為載流子的耗盡區(qū)；6、空間電荷區(qū)中存在的帶電原子將在空間電荷區(qū)中建立內(nèi)部電場；7、內(nèi)部電場的建立和加強(qiáng)，使得漂移的影響越來越大，并將阻礙電子和空穴擴(kuò)散運(yùn)動的發(fā)展；8、最終，內(nèi)部電場必將與擴(kuò)散運(yùn)動平衡，形成穩(wěn)定的PN結(jié)。硅PN結(jié)的接觸電勢差約為0.7V；第36頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)PN結(jié)正偏置正偏置→外電場削弱內(nèi)電場→耗盡區(qū)電荷減少→耗盡區(qū)（空間電荷區(qū)）變窄P區(qū)空穴在外電場的驅(qū)動下不斷穿越耗盡區(qū)進(jìn)入N區(qū)，而N區(qū)電子也在外電場的驅(qū)動下不斷穿越耗盡區(qū)進(jìn)入P區(qū)，從而形成電流。第37頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)為什么不會像零偏壓那樣形成逐步擴(kuò)大的內(nèi)電場阻礙電流的形成？擴(kuò)散與漂移效果的平衡，一方面將是耗盡區(qū)保持穩(wěn)定，另一方面也將使少數(shù)載流子的濃度隨距PN邊界的距離增大而下降。第38頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)PN結(jié)正向偏置PN結(jié)在正向偏置的時候，外部電場將消弱內(nèi)部電場的影響。P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子在外部電場的作用下，分別進(jìn)入（注入）N區(qū)和P區(qū)，形成電流。由于參與導(dǎo)電的分別是進(jìn)入P區(qū)的電子和進(jìn)入N區(qū)的空穴，因此PN在正向偏置下的導(dǎo)電是“少子”導(dǎo)電。與此同時，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子在耗盡區(qū)電場的吸引下也向PN結(jié)處漂移。它們與從對面流過的“少子”復(fù)合。少子在外部電場的激勵下不斷穿越PN結(jié)進(jìn)入“對方領(lǐng)地”，之后與多數(shù)載流子復(fù)合，從而形成源源不斷的電流。正向偏置電壓影響外電場增強(qiáng)會引起更多的少子注入。由于內(nèi)部電場被外部電場更多地削弱，漂移作用被大大抑制。在兩種相反作用的影響下，正向電流顯著增加。第39頁，課件共46頁，創(chuàng)作于2023年2月