• PN结存在工作温度的上限。
• 在不同的温度下，PN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。 特性变化（恶化） 散热设计 功率处理能力
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ton3g6yibin
预习问题
当一个PN结由正向偏置突然变为反向偏置，会 发生什么？从反向偏置突然变为正向偏置呢？
➢ 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。
本征 半导 体的 导电 性？
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✓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荷的运动， 称为空穴电流。
的驱动下不断穿越耗尽区进入P区，从而形成电流。
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ton2g7yibin
课堂讨论
➢PN结在正偏置下， 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。
➢为什么不会象前面的扩散一样形成逐步扩大的内 部电场而阻碍电流的形成呢？
➢正向偏置电压变化有什么影响？
讲课的原则
阐述科技发展的逻辑脉络 着重电力电子器件方面基本知识 着重培养分析电力电子器件性能的能力 着重电力电子器件应用中最复杂和关键的问题
二极管和IGBT 着重锻炼应用电力电子器件的基本技能
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tong1yibin
教学参考书
陈冶明，《电力电子器件基础》 USING IGBT MODULES Use Gate Charge to Design the Gate Drive Circuit for
Power MOSFETs and IGBT
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tong2yibin
第2章 半导体器件基本原理
半导体的基本知识 PN结及半导体二极管 ×特殊二极管
2021/3/6
tong3yibin
本章的学习要求
半导体“神奇”的性能是如何形成的？ 半导体材料为什么要使用搀杂工艺？ P型和N型半导体内是否具有静电场？ 在PN结区域到底发生了什么，使得PN结具有单向
PN结附近的耗尽区相当于一个电容器，因此就有 电容量－PN结的结电容。 结电容和什么因素有关？
• PN结的结电容与PN结的偏置电压有关，可以通 过偏置电压来调节结电容。
有什么实际应用的例子吗？ • 在电力电子电路中，有什么影响？
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ton3g5yibin
PN结的热效应
本征激发是PN结受温度影响重要起因。
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
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ton1g0yibin
电子电流与空穴电流
空 穴 呢？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的 开关按键来实现功能的一种按
PCBA
键
开关 键
传统机械按键设计要点： 1.合理的选择按键的类型， 尽量选择平头类的按键，以 防按键下陷。 2.开关按键和塑胶按键设计 间隙建议留0.05~0.1mm，以 防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计 算累积公差，以防按键手感 不良。
P型半导体材料
• 在本征半导体中掺入三价的，由于每个硼原子有3 个价电子，故在构成共价键结构时将产生一个空 穴。
空穴
Si
Si
+
BSi
Si
B
Si
Si
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ton1g5yibin
•这种以空穴导电作为主要导电方式的半导体称为 空穴型半导体或P（Positive）型半导体。多数载流
子为空穴。
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ton1g2yibin
N型半导体材料
在本征半导体中掺入五价的磷，由于每个磷原子 有5个价电子，故在构成共价键结构时将产生一 个自由电子。
电子
Si
Si
+
PSi
Si
P
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Si
Si
ton1g3yibin
•这种以自由电子导电作为主要导电方式的半导体 称为电子型半导体或N（Negative）型半导体。
•通过掺杂，半导体材料中电子载流子数目将比本 征激发的载流子多几十万倍。 •掺杂激发的载流子浓度主要取决于掺杂的浓度， 体材料的性能可以得到很好的控制。
如果不考虑本征激发，N型半导体的空穴浓度 大还是电子浓度大？
由于电子浓度高于空穴，因此N型半导体的多数载 流子是电子。
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ton1g4yibin
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
2021/3/6
ton3g3yibin
PN结的伏安特性（单向导电性）
I
反向击穿电压
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正向导通压降
U
势垒电压 硅PN结约0.7V， 锗PN结约0.2V。
ton3g4yibin
PN结的结电容
ton2g0yibin
2、PN结
在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面 处就形成了PN结。
注意：PN结不可能通过将P型半导体和N型半导体压 在一起而形成。
怎样才能实现PN半导体的“紧密”接触？
在“紧密”接触的PN结区域，会发生什么？
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少数载流子的浓度与什么因素有关？
少数载流子什么时候才会消失？
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ton3g7yibin
在PN结附近，存在两种趋势： 载流子浓度差异引起的扩散← →内部电场引起的漂移 3、少数载流子的浓度是否是均匀的？ 当然不是，远离PN的地方浓度低。 4、如果在PN结的两端加上不同方向的电压，会出现什么 情况？
2021/3/6
ton2g5yibin
不同偏置条件下的PN结
正偏置：在PN结的P区加正、N区加负； 负偏置：在PN结的P区加负、N区加正；
2021/3/6
ton2g8yibin
外加电场
P
N
－＋ －＋ －＋ －＋ －＋
空
电
穴
子
扩
漂
散
移
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。
2021/3/6
ton2g9yibin
PN结正向偏置状态总结
2021/3/6
➢PN结在正向偏置的时候，外部电场将消弱内部电场 的影响。
tongyibin
作业（3月21日14点10分前交）
1) 空穴到底是什么？ 2) 搀杂半导体中，电子空穴还是成对产生的吗？ 3) N型半导体中的自由电子多于空穴，P型半导体中
的空穴多于自由电子，是否N型半导体带负电，P 型半导体带正电？ 4) P、N型半导体中是否存在“净”电荷或是静电场？
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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搀杂载流子浓度达到 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
2021/3/6
ton1g8yibin
1.什么是传统机械按键设计？
4、P型区由于空穴的扩散，留下带负电的原子，而N 型区由于电子的扩散，留下带正电的原子；
2021/3/6
ton2g3yibin
2021/3/6
5、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 空间电荷区的载流子已扩散殆尽，因此又称为载流 子的耗尽区；
6、空间电荷区中存在的带电原子将在空间电荷区中 建立内部电场；
ton1g6yibin
对比P型半导体和N型半导体
P型和N型半导体的对比 掺杂材料
空穴和电子浓度 多数载流子类型
P
3价元素 空穴浓度高
空穴
N
5价元素 电子浓度高
电子
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ton1g7yibin
为什么要对半导体采用搀杂工艺
1. 搀杂半导体的载流子浓度主要取决于搀杂类型 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。
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。 2021/3/6
ton3g2yibin
PN结正向偏置与反向偏置的比较
偏置电压
正向偏置
反向偏置
外部电场与内部电场 （耗尽区）的关系 是否形成电流
导电载流子的类型
电流与偏置电压 的关系
2021/3/6
tong5yibin
物体导电性能取决于由自由电子浓度
导体原子核对电子的束缚较小，自由电子浓度高， 导电性能好；
绝缘体中大多数电子都被原子核束缚，自由电子 浓度很低，导电性能差；
半导体则介于两者之间，且易受外界因数的影响；
2021/3/6
tong6yibin
价电子
☆半导体材料原子最外层的电子由于受原子核的束缚 较小，比较容易变成自由电子－价电子
☆现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子（价电子）都是四个。
2021/3/6
Ge