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1、电力电子技术与应用第一章 电力电子器件1.半导体器件的工作原理2.电力电子器件介绍1电力电子技术与应用1 半导体的工作原理不同元素原子核外电子的数目不同元素周期表含有多个核外电子的原子中，电子运动的主要区 域离核有远有近，在离核较近的区域运动的电子能量 较低，在离核较远的区域运动的电子能量较高，即电 子在原子核外的分层排列的，把核外电子运动的不同 区域看成不同的电子层，各电子层由内向外的序数n 依次为1、2、3、，分别称为K、L、M、N、O、 电子层。1.1 原子核外电子排布例如，钠原子核外有11个电子，分别处于K、L、M电子层中 ，排布在最外层的1个电子能量最高 Na2电力电子技术与应用半导
2、体工作原理13Al(铝) 14Si(硅) 15P(磷) 10Ne(氖) 科学研究证明：核外电子总是从能量最低的K层开始 向外排列，而且各层能容纳的电子数为2n2，而且最 外电子层最多只能容纳8个电子，若K层为最外层是 ，最多只能容纳2个电子。氖的最外电 子层已经填 满，形成稳 定结构。价电子三价元素四价元素五价元素惯性核3电力电子技术与应用化学键：物质中直接相邻的原子或离子之间存在的强烈的相互作用力。 (1)离子键：活泼的金属和活泼的非金属化合时，金 属容易失去最外层的电子形成阳离子，非金属容易结 合电子形成阴离子，它们之间可以通过电子转移，分 别形成阳离子和阴离子，这样许多的阴、阳离子通过
3、静电作用形成离子化合物使带相反电荷的阴、阳离 子结合的互相作用力离子键。Na+Cl-半导体工作原理NaCl4电力电子技术与应用(2)共价键：两种非金属相互化合时，原子间共用最外 层的电子形成共用电子对以达到稳定的电子层结构，共 用电子对同时受到两个原子核的吸引原子间通过共用 电子对所形成的强烈的互相作用力共价键。14Si(硅) SiO2(二氧化硅 ) 8O(氧) 共价键半导体工作原理5电力电子技术与应用1.2 本征半导体32Ge(锗) 14Si(硅) 硅和锗都是晶体，它们的原子都 是有规则地排列着，并通过由价电子 组成的共价键把相邻的原子牢固地联 系在一起。硅和锗中的每个原子均和 相邻四个原子
4、构成四个共价键。整块 晶体内部晶格排列完全一致的晶体称 为单晶。硅和锗的单晶称为本征半导 体，它们是制造半导体器件的基本材 料。半导体工作原理6电力电子技术与应用 本征激发和复合一块本征半导体，在热力学温度T=0K(K为开尔文) 和没有外界影响的条件下，它的价电子均束缚在共价 键中，不存在自由运动的电子。但当温度升高或受到 光线照射时，某些共价键中的价电子从外界获得足够 的能量，从而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自 由电子(Free Electron)，同时，在共价键中留下了相同 数量的空位，这种现象称为本征激发。当共价键申留下空位时，相应原子就带有一个电子 电荷量的正电，邻近共价键中的价电
5、子受它的作用很 容易跳过去填补这个空位，这样，空位便转移到邻近 共价键中去;而后新的空位又被其相邻的价电子填补。 这种过程持续进行下去，就相当于一个空位在晶格中 移动。半导体工作原理7电力电子技术与应用半导体工作原理8电力电子技术与应用由于带负电荷的价电子依次填补空位的作用与带正电 荷的粒子作反方向运动的效果相同，因此，可以把空 位看作带正电荷的载流子，并把它称为空穴。可见，半导体借以导电的载流子比导体多了一种 空穴，换句话说，半导体是依靠自由电子和空穴两种 载流子导电的物质。本征激发产生的两种载流子总是 成对出现的。实际上，在自由电子空穴对产生过程 中还同时存在着复合过程，这就是自由电子在热
6、骚动 过程中和空穴相遇而释放能量，造成自由电子空穴 对消失的过程。半导体工作原理9电力电子技术与应用在本征半导体中，掺入一定量的杂质元 素，就成为杂质半导体。按掺入的杂质不同， 杂质半导体分为N型和P型两种。若掺入五价 元素的杂质(磷、锑或砷等)，则可使晶体申的 自由电子浓度大大增加，故将这种杂质半导体 称为N型或电子型半导体。若掺入三价元素的 杂质(硼、嫁、铜或铝等)，则可使晶体中的空 穴浓度大大增加，故将这种半导体称为P型或 空穴型半导体。1.3 杂质半导体半导体工作原理10电力电子技术与应用 N型半导体五价元素的原子有五个价电子，当它顶替晶格中 的四价硅原子时，每个五价元素原子中的四个价
7、电子 与周围四个硅原子以共价键形式相结合，而余下的一 个就不受共价键束缚，它在室温时所获得的热能足以 使它挣脱原子核的吸引而变成自由电子。由于该电子 不是共价键中的价电子，因而不会同时产生空穴。而 对于每个五价元素原子，尽管它释放出一个自由电子 后变成带一个电于电荷量的正离子，但它束缚在晶格 中，不能象载流子那样起导电作用。这样，与本征激 发浓度相比，N型半导体中自由电子浓度大大增加， 而空穴因与自由电子相遇而复合的机会增大，其浓度 反而更小了。半导体工作原理11电力电子技术与应用因此，在上述N型半导体中，将自由电子称为多数 载流子；空穴称为少数载流子。并将五价元素称为施 主杂质，它是受晶格束
8、缚的正离子。半导体工作原理12电力电子技术与应用P型半导体同理，三价元素原子有三个价电子，当它顶替四价 硅原子时，每个三价元素原子与周围四个硅原子组成 的四个共价键申必然缺少一个价电子，因而形成一个 空穴。显然，这个空穴不是释放价电子形成的，因而 它不会同时产生自由电子。可见，在P型半导体中，空穴是多数载流子，简称多 子，自由电子是少数载流子，简称少子。每个三价元 素原子形成的空穴由相邻共价键申的价电子填补时， 本身便变成带一个电子电荷量的负离子，故相应地将 三价元素称为受主杂质。半导体工作原理13电力电子技术与应用1.4 两种导电机理漂移和扩散导体中只有自由电子一种载流子，它在电场作用 下产
9、生定向的漂移运动，形成漂移电流。而半导体中 有自由电子和空穴两种载流子，它们除了在电场作用 下形成漂移电流外，还会在浓度差的作用下产生定向 的扩散运动，形成相应的扩散电流。 漂移与漂移电流在外加电场作用下，载流子将在热骚动状态下 产生定向的运动，其中自由电子产生逆电场方向的 运动，空穴产生顺电场方向的运动。载流子的这种 定向运动称为漂移运动，由它产生的电流称为漂移 电流，而且两种载流子所对应的漂移电流均顺电场 方向的。半导体工作原理14电力电子技术与应用扩散与扩散电流扩散与由热骚动造成的随机运动相关。在一块处 于热平衡状态的半导体中，均匀分布的自由电子和空 穴不会因随机运动而造成电荷的定向流动
10、。但是，若 某种原因(例如不均匀光照)破坏了热平衡条件，且出 现的非平衡载流子的分布是不均匀的。假设它们的浓 度值沿水平方向连续减小，则半导体中任一假想面(虚 线表示)两侧存在浓度差，处于热骚动的载流子就会往 返不断地穿越假想面。其中从浓度大的一侧穿越假想 面进人浓度小的一侧的载流子将多于沿相反方向运动 的载流子，因而造成载流子沿水平方向的净流动。这 种因浓度差引起载流子的定向运动称为扩散运动。相 应产生的电流称为扩散电流。自由电子扩散电流 方向与浓度减小方 向相反，而空穴 扩散电流方向与浓 度减小方向一致。半导体工作原理15电力电子技术与应用必须指出，上述存在载流子浓度差是半导体区别 于导体
11、的一种特有现象。在导体中，只有一种载流子( 自由电子)，如果其间存在着浓度差，则必将产生自低 浓度向高浓度方向的电场，依靠电场力就会迅速将高 浓度的电子拉向低浓度处，因此在导体中建立不了自 由电子的浓度差。而在半导体中，存在着自由电子和 空穴两种载流子，当其间出现非平衡载流子，建立浓 度差时，仍能处处满足电中性条件，就是说，只要存 在非平衡自由电子n(x)-no，就必然存在非平衡空穴 p(x)-po，并且两者的数值相等，这样就不会产生不同 浓度之间的电场，因而也就不会将已建立的浓度差拉 平。总之，由扩散运动产生的扩散电流是半导体区别 于导体的一种特有的电流。半导体工作原理16电力电子技术与应用
12、小结 本节从本征半导体共价键结构出发，提出了 有关半导体的几个重要结论。 半导体是依靠自由电子和空穴两种载流子导电的。 本征激发和复合达到动态平衡时，热平衡载流子浓度 随温度升高而迅速增大。 掺入不同杂质，形成N型和P型两种杂质半导体。 其中，N型半导体:多子自由电子，少子空穴，施主杂 质正离子。P型半导体:多子空穴，少子自由电子，受 主杂质负离子。 半导体有两种导电方式:电场作用下产生的漂移电 流和非平衡载流子浓度差作用下产生的扩散电流。前 者与电场强度成正比，后者与浓度梯度成正比。半导体工作原理17电力电子技术与应用1.5 PN结在一块P型(或N型)半导体申，掺入施主杂质(或受 主杂质)，
13、将其中的一部分转换为N型(或P型)。这样形 成的PN结保持了两种半导体之间晶格结构的连续性， 相应的制造工艺称为平面扩散法。实际的PN结均为不对称结，它的P型和N型半导体 具有不同的掺杂浓度。其中，P区掺杂浓度大于N区的 称为P+N结;N区掺杂浓度大于P区的称为PN-结。晶体二极管就是由PN结组成的，因此，讨论PN 结的特性实际上就是讨论晶体二极管的特性。半导体工作原理18电力电子技术与应用当P型半导体和N型半导体相接触时，由于P区中 多子空穴浓度大于N区，N区中多子自由电子浓度大 于P区。因而空穴就会由P区跨过接触面扩散到N区， 并与N区中的自由电子相遇而复合;同理，自由电于就 会由N区跨过
14、接触面扩散到P区，并与P区中的空穴相 遇而复合。结果是它们共同形成了由P区流向N区的 扩散电流，并在紧靠接触面两侧的区域内留下了杂质 离子，其中P侧为带负电荷的受主离子;N侧为带正电 荷的施主离子，而且两侧的正、负离子电荷量相等， 形成如图所示的空间电荷区。而空间电荷区以外的P 区和N区仍处于热平衡状态且保持电中性。1.5.1 动态平衡下的PN结阻挡层形成的物理过程半导体工作原理19电力电子技术与应用由于接触面两侧带 有极性相反的离子电荷， 其间就产生由N侧指向P 侧的电场E。这个电场将 阻止上述扩散的进行， 同时，它又使N区中的 少子空穴漂移到P区，P区中的少子自由电子漂移到N 区，它们共同
15、形成了由N区流向P区的漂移电流。随着 上述多子扩散运动的进行，紧靠接触面两侧留下的离 子电荷量增多，空间电荷区增宽，其间的电场相应增 大，结果是多子扩散减弱，少子漂移增强，直到扩散 和漂移运动达到动态平衡，即通过空间电荷区的总电 流为零，因此通过PN结的净电流为零。半导体工作原理20电力电子技术与应用正向导通特性在结上加正向 电压，即外电源的 正端接区，负端 接区，称为 结正偏（如右图）由于正偏时外电场与内电场的方向相反，空间电荷区变 窄，内电场被削弱，多子扩散得到加强，少子漂移将被 削弱，扩散电流（扩散运动产生的电流）大大超过漂移 电流（漂移运动产生的电流），最后形成较大的正向电 流（由区流
16、向区的电流），称为结导通。 1.5.2 PN结的伏特特性半导体工作原理21电力电子技术与应用反向截止特性在结上加反向 电压，即外电源的 正端接N区，负端 接P区，称为 结反偏（如右图）由于外电场与内电场方向一致，空间电荷区变宽，内 电场增强，不利于多子的扩散，有利于少子的漂移。 在电路中形成了基于少子漂移的反向电流（由区流 向区的电流）。由于少子数量很少，因此反向电流 很小，结截止。 半导体工作原理22电力电子技术与应用典型二极管在常温时的伏安特性如下特性曲线分三个区： 正向工作区 反向工作区 击穿区正向 工作区反向 工作区击 穿 区稳压二极管红线表示 二极管 近似特性半导体工作原理23电力电子技术与应用状 态态参数正向导导通反向截止反向击击穿电电流正向大几乎为为零反向大 电压电压维维持约约1V反向大反向大 阻态态低阻态态高阻态态
