半導(dǎo)體-導(dǎo)體-絕緣體

功率半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)及其應(yīng)用裝置的基礎(chǔ)，一代器件帶動(dòng)一代整機(jī)，即功率半導(dǎo)體器件一直是推動(dòng)電力電子變換器發(fā)展的主要源泉，一代新型器件的出現(xiàn)，總是帶來一場變換器的革命。因?yàn)楣β拾雽?dǎo)體器件處于現(xiàn)代電力電子變換器的心臟地位，它對(duì)裝置的可靠性、成本和性能起著十分重要的作用。要想了解功率半導(dǎo)體器件的特性，首先需要了解功率半導(dǎo)體器件的物理基礎(chǔ)，理解半導(dǎo)體材料與導(dǎo)體、絕緣體材料的區(qū)別。

眾所周知,目前所用的功率半導(dǎo)體器件絕大多數(shù)都是用半導(dǎo)體材料制造的。而半導(dǎo)體本身并沒有明確的物理或者數(shù)學(xué)定義，一般認(rèn)為，自然界物質(zhì)有氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)和等離子態(tài)等幾種存在形式，在這里僅以固態(tài)范疇來討論導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。

一般情況下，人們顧名思義地用電導(dǎo)率或者電阻率的高低來區(qū)分導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體，認(rèn)為電導(dǎo)率或者電阻率處于導(dǎo)體和絕緣體之間的是半導(dǎo)體，這也可以解釋半導(dǎo)體（Semiconductor）的由來。一般將電阻率介于10^-6~10⁸Ω.m的材料稱作半導(dǎo)體，見圖1-1所示。對(duì)于三者界限的數(shù)值并沒有準(zhǔn)確的說法，在一些文獻(xiàn)中，還采用了金屬、半金屬、半導(dǎo)體、半絕緣體和絕緣體的細(xì)致劃分方法。

眾所周知，銅、鋁、銀等金屬材料能非常容易的傳導(dǎo)電流，都是非常好的導(dǎo)體；而橡膠、陶瓷、塑料等材料幾乎不導(dǎo)電，是非常好的絕緣體；而硅、碳化硅等是用于功率半導(dǎo)體器件制造的半導(dǎo)體材料。為了有更直觀的概念，表1-1中給出了部分金屬導(dǎo)體、絕緣體和硅半導(dǎo)體的電阻率特性。從表中可以看出，一般結(jié)構(gòu)完整且不包含雜質(zhì)，或雜質(zhì)濃度極低的結(jié)晶態(tài)半導(dǎo)體，以及大多數(shù)未摻雜的非晶態(tài)半導(dǎo)體，也具有跟絕緣體不相上下的高電阻率；而當(dāng)它們含有足夠高濃度的某些特殊雜質(zhì)時(shí)，其電阻率又會(huì)下降到金屬的電阻率范疇，甚至比某些導(dǎo)電性能欠佳的金屬的電阻率還低，這是半導(dǎo)體特性之一。

此外，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還與某些外部條件有關(guān)。與金屬和絕緣體相比，半導(dǎo)體電阻率對(duì)環(huán)境溫度、光照、乃至磁場和電場等外加條件的敏感性要強(qiáng)得多。在實(shí)際應(yīng)用中，利用半導(dǎo)體電阻率隨溫度或者光照的變化而變化這一特點(diǎn)，可以制造熱敏或者光敏電阻；利用半導(dǎo)體內(nèi)摻入一些雜質(zhì)，就能改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)電類型，這是今天可以用來制造各種半導(dǎo)體器件和集成電路的依據(jù)。從本質(zhì)上來說，半導(dǎo)體是導(dǎo)電性明顯取絕于材料的內(nèi)外狀態(tài)而可以靈活改變的一類特殊物質(zhì)。正是利用這樣一種靈活多變的特點(diǎn)，半導(dǎo)體才能用來制造像晶體管、晶閘管那樣的器件，而導(dǎo)電性難以明顯改變的金屬和絕緣體卻不能。在這一材料特性賦予半導(dǎo)體器件各種功能特性的同時(shí)，也賦予半導(dǎo)體器件一些不可忽視的應(yīng)用特性，比如器件對(duì)工作溫度的依賴性。

做一個(gè)簡單的歸納，半導(dǎo)體大致有這樣一些獨(dú)特的性質(zhì)，它們的應(yīng)用無不跟這些性質(zhì)有關(guān)。

1）一般來說，半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)比金屬大得多，即半導(dǎo)體的阻值更容易隨溫度的變化而變化；

2）在半導(dǎo)體中參與電流的載流子有兩種，即空穴和電子，而在金屬中輸運(yùn)電流的載流子只有電子；

3）半導(dǎo)體的電阻率對(duì)摻入雜質(zhì)及其敏感，一般只需要極少量的雜質(zhì)就能顯著地改變其電阻率。比如，半導(dǎo)體材料鍺的純度達(dá)到10⁹個(gè)鍺原子中的雜質(zhì)原子不超過1個(gè)，此時(shí)其室溫下的電阻率為0.45Ω.m，如果在這樣純的鍺中摻入銻，摻到每2×10⁶個(gè)鍺原子中有一個(gè)銻原子的程度，則室溫下電阻率下降為

9×10^-4Ω.m，僅為原來的1/500,導(dǎo)電能力大大提高；

4）半導(dǎo)體材料具有光敏性，而金屬一般不具有；

5）當(dāng)不同半導(dǎo)體材料一起工作，一般具有不對(duì)稱和非線性導(dǎo)電性，而金屬材料一般不具有。

半導(dǎo)體的上述特性都和半導(dǎo)體中的電子能量狀態(tài)有關(guān)，電子的能量狀態(tài)將直接決定半導(dǎo)體材料的性能。

參考文獻(xiàn)

【1】 袁立強(qiáng), 趙爭鳴, 宋高升，王正元.《電力半導(dǎo)體器件原理與應(yīng)用》.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.